Univerzita Jana Evangelisty Purkyně v Ústí nad Labem Fakulta životního prostředí
Úvod do průmyslových technologií
Miroslav Richter
Ústí nad Labem 2012
1
Autor: Ing. Miroslav Richter, Ph.D., EUR ING Vědecký redaktor: Prof. Ing. František Kepák, DrSc
Oponenti: Prof. Ing. Otakar Sőhnel, DrSc. Prof. Ing. Milan Kuchler, CSc.
© Miroslav Richter – Ústí nad Labem 2012
2
Předmluva Předmět „Úvod do průmyslových technologií“ úzce navazuje na předmět "Obecná chemie", kde studenti získávají základní teoretické poznatky. Dále navazuje na předmět „Fyzika a přístrojová technika“, který je orientován na rozšíření základních znalostí fyziky ze středních škol. Předkládaný učební text „Úvod do průmyslových technologií“ je první částí bloku technologických předmětů vyučovaných na Fakultě životního prostředí Univerzity J.E.Purkyně v Ústí n.L. Podává obsáhlejší výklad technologicky a technicky pojatých problémů použitelný pro studium dalších tématicky příbuzných předmětů. Cílem bloku těchto předmětů je seznámit posluchače s tokem materiálů a energií hlavně v průmyslových výrobních procesech a jejich fyzikálními i chemickými přeměnami. Dále seznamuje posluchače se základními pojmy, teoretickým základem a principy technologických procesů, konstrukcemi vybraných zařízení a možnostmi jejich využívání v průmyslové praxi. V předmětu „Úvod do průmyslových technologií“ je věnována pozornost základním postupům získávání a úprav přírodních surovin, způsobům jejich dopravy do zpracovatelských podniků včetně systémů technologických doprav. Dále jsou vysvětleny základní technologické operace zpracování surovin a polotovarů na konečné výrobky, jejich skladování, balení a expedice ke spotřebitelům. Zároveň jsou popsány postupy výroby, rozvodu a přeměn energií, mechanismy sdílení tepla a hmoty. Ve stručnosti jsou uvedeny základy řízení technologických procesů. U všech probíraných partií je též věnována pozornost problematice ochrany pracovního prostředí a složek životního prostředí. Na předmět "Průmyslové technologie - úvod" navazují v bakalářských studijních oborech předměty "Průmyslová technologie I a II" nebo „Přehled průmyslových technologií" a dále "Technologie ochrany životního prostředí". V navazujícím magisterském programu pokračuje výuka předměty "Průmyslové technologie III" zaměřené na vývoj k čistším technologiím a „Biotechnologie“ užívané především ke zneškodňování nebezpečných látek vstupujících do životního prostředí. Blok technologicky orientovaných předmětů doplňují předměty orientované na analytickou chemii a monitoring jak v bakalářském tak magisterském stupni studia. Všechny uvedené předměty tvoří ucelené bloky ve studijních programech Fakulty životního prostředí. Jsou obsahově provázané s ostatními předměty bakalářských i magisterských studijních programů a studijních oborů. Učební text byl doplněn a aktualizován v roce 2012 v rámci projektu OPVK s pracovním názvem ENVIMOD. M. Richter
3
Doporučená metodika studia Obsah učebního textu je členěn do kapitol. Důležité partie textu jsou zvýrazněny tučným tiskem, podtržením nebo umístěním části textu s principielně důležitými poznatky a důležitými závěry do rámečku. V každé kapitole je ve stručnosti uvedena (-o, -y): -
část úvodní seznamující s problémem a možnostmi jeho řešení, část teoretická objasňující základní pojmy a principy, schéma zařízení, praktická část popisující konkrétní technologický postup a použitá zařízení s podmínkami provozu, uplatnění příslušné technologie, omezení a rizika provozu, kontrolní otázky.
Student si musí samostatným studiem osvojit každou z uvedených částí textu s důrazem na zvládnutí oborové terminologie, technologických postupů a jejich chemismu, pokud je v textu uveden. Zároveň musí studující zvládnout principy funkce základních technologických zařízení. Uváděná zjednodušená schémata technologických postupů a zařízení musí být schopen načrtnout a popsat minimálně v rozsahu připojené legendy. Pro kontrolu úspěšnosti studia jsou připojeny kontrolní otázky. Jejich vypracováním a kontrolou správnosti odpovědí dle předchozího textu má student průběžně zpětnou vazbu o účinnosti studia. Za dobrý výsledek lze považovat min. 2/3 správných odpovědí.
4
Obsah 1
MATERIÁLOVÉ A ENERGETICKÉ BILANCE…………..………………… 10
2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.3 2.6.4 2.7 2.7.1 2.7.2 2.8 2.9 2.10 2.11
TĚŽBA A ÚPRAVA SUROVIN……………………..………………………….….12 PŘÍRODNÍ ZDROJE…………….…………………………………………………13 PRŮMYSLOVÉ VYUŽITÍ NEROSTNÝCH SUROVIN ………………………… 15 DRUHOTNÉ SUROVINOVÉ ZDROJE …………………………………………… 16 TĚŽBA NEROSTNÝCH SUROVIN VE SVĚTĚ A ČR…….………….…………. 17 NEROSTNÉ SUROVINY MOŘÍ A OCEÁNů…………………..………………….18 MOŘSKÁ VODA…………………………………………………………………….18 POVRCH MOŘSKÉHO DNA……………………………………………………….19 NEROSTNÉ SUROVINY POD POVRCHEM MOŘSKÉHO DNA………………...19 TĚŽBA NEROSTNÝCH SUROVIN NA PEVNINĚ……………………………21 PODZEMNÍ - PODPOVRCHOVÁ TĚŽBA..……………………………………….21 POVRCHOVÁ - LOMOVÁ TĚŽBA..………………………..….……………..…...22 VLIVY TĚŽBY NA PŘÍRODNÍ PROSTŘEDÍ……………………….……………..24 OMEZENÍ NEGATIVNÍCH VLIVŮ TĚŽBY NA ŽP……..……….………………25 ÚPRAVA TUHÝCH NEROSTNÝCH SUROVIN…………………….…………..26 ROZPOJOVÁNÍ (DRCENÍ A MLETÍ)…..……………………………….……...26 TŘÍDĚNÍ A ROZDRUŽOVÁNÍ MATERIÁLU …….…………….…………..……32 FLOTACE……..……………………………………….……………..………………39 LOUŽENÍ..….…………………………………………………..…………………….40 SUŠENÍ A KALCINACE..…………………………………………….………….…41 HRUDKOVÁN, BRIKETOVÁNÍ, TABLETACE A GRANULACE….……..……..42
3 DOPRAVA, SKLADOVÁNÍ A BALENÍ MATERIÁLU….……………………. 44 3.1 DOPRAVA……………..……....……………………………..………………………44 3.1.1 ZÁKLADNÍ TERMINOLOGIE DOPRAVY……..………………….……………...44 3.1.2 TYPY DOPRAVY………..……………..……………………………………………45 3.1.3 DRUHY DOPRAVY………………………………………..…………………..……47 3.1.3.1 VODNÍ DOPRAVA………………………………………………………………….47 3.1.3.2 ŽELEZNIČNÍ DOPRAVA…………………………………………………………...48 3.1.3.3 AUTOMOBILOVÁ DOPRAVA……………………………………………………..50 3.1.3.4 LETECKÁ DOPRAVA………………………………………………………………51 3.1.3.5 POTRUBNÍ DOPRAVA……………………………………………………………..51 3.1.3.6 TECHNOLOGICKÁ DOPRAVA……………………………………………………52 3.2. SKLADOVÁNÍ……………..……………….…………………………..………..…57 3.2.1 SKLADOVÁNÍ PEVNÝCH SYPKÝCH SUBSTRÁTŮ……………………………57 3.2.2 SKLADOVÁNÍ KAPALIN………………………………………………………….58 3.2.3 SKLADOVÁNÍ PLYNŮ…………………………………………………………….58 3.3 BALENÍ………………………………………….……………..…………………...59 3.3.1 OBALOVÉ MATERIÁLY………………………………..…………………………59 3.3.2 BALÍCÍ A MANIPULAČNÍ TECHNIKA…………………………….……………..60 3.4 NEGATIVNÍ ÚČINKY DOPRAVY A MANIPULACE S MATERIÁLEM NA ŽP 61 3.4.1 ZÁKLADNÍ NEGATIVNÍ ÚČINKY A JEJICH PŮVOD………………..……..…..61 3.4.2 OMEZENÍ NEGATIVNÍCH ÚČINKŮ DOPRAVY……………………..…………63
5
4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10
ENERGETIKA ..…………………………………………………………………… 65 ENERGIE, DRUHY A FORMY ENERGIE……………………………………….65 ENERGETICKÉ NÁZVOSLOVÍ A ZÁKLADNÍ POJMY……………………..….66 SPOTŘEBA ENERGIE……….…………………………………………….………68 ZDROJE ENERGIE A ZÁSOBY ENERGETICKÝCH SUROVIN…………..……69 VYUŽITÍ FOSILNÍCH PALIV A CENOVÉ BARIÉRY…….……………….….…71 VYUŽITÍ A ZTRÁTY ENERGIÍ…………………………………………..….….…73 ROZDĚLENÍ A VLASTNOSTI PALIV…………………….……………………....74 OTEVŘENÝ A UZAVŘENÝ OBĚH……………………….…………..…….……..76 TEPELNÉ ENERGETICKÉ VÝROBNY……………………………..….…….……78 VODNÍ ELEKTRÁRNY………………………………………………………….….80
5 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.2.4 5.2.5 5.2.6
HYDROMECHANICKÉ POCHODY …………………………………………… 83 HYDROSTATIKA….…………………………………………………………….…83 HYDRODYNAMIKA…………………………………………………………….…85 VISKOZITA TEKUTIN……….…………………………………………………......85 POVAHA TOKU………………..…………………………………………..………..87 ROVNICE KONTINUITY…………………….………………..……..……………..90 BERNOULLIHO ROVNICE……………………………….………..………………90 MÍSTNÍ ZTRÁTY……………………………..………………………………..……95 INERCIÁLNÍ ZTRÁTY……………………………..…………….…………………96
6 DOPRAVA TEKUTIN ..………………………………………….………………97 6.1 DOPRAVA KAPALIN - ČERPADLA……………………………………………..97 6.1.1 OBJEMOVÁ ČERPADLA………………………………………………….……….99 6.1.1.1 PÍSTOVÁ ČERPADLA………………………………………….……………….….99 6.1.1.2 MEMBRÁNOVÁ ČERPADLA………………………………………….……….100 6.1.2 ODSTŘEDIVÁ ČERPADLA……………………………………………..………100 6.1.3 ŠNEKOVÁ ČERPADLA……………..……………………………………………..103 6.1.4 VŘETENOVÁ ČERPADLA………………………………………………………..104 6.1.5 ZUBOVÁ ČERPADLA A ČERPADLA S ROTUJÍCÍMI PÍSTY………………….104 6.1.6 HADICOVÁ ČERPADLA A PERISTALTICKÁ ČERPADLA…………………....105 6.1.7 OSTATNÍ TYPY ČERPADEL…………………………………..………………...105 6.2 DOPRAVA A KOMPRESE PLYNŮ…………………………………………….108 6.2.1 KOMPRESORY…………………………………………………………………….109 6.2.2 DMYCHADLA……………………………………………………………………...113 6.2.3 VENTILÁTORY…………………………………………………………………….114 6.2.4 VÝVĚVY……………………………………………………………………………116 7 7.1 7.1.1 7.1.2 7.1.3 7.1.4 7.1.5 7.1.6 7.1.7
ROZDĚLOVÁNÍ HETEROGENNÍCH SMĚSÍ………………………..……….118 ODLUČOVÁNÍ TUHÝCH NEBO KAPALNÝCH ČÁSTIC Z TEKUTIN…....118 ZÁKLADNÍ TERMINOLOGIE ODLUČOVAČŮ………………..………..………118 PŮVOD A VLASTNOSTI TUHÝCH A KAPALNÝCH ČÁSTIC…………..…….121 TVAR ČÁSTIC……………………………………………………………………..125 MĚRNÁ, SYPNÁ A SETŘESNÁ HMOTNOST TUHÝCH ČÁSTIC……………125 DISTRIBUCE TUHÝCH ČÁSTIC…………………………………………………126 MĚRNÝ POVRCH ČÁSTIC……………………………………………………….127 PERMITIVITA……………………………………………………………………...127
6
7.1.8 7.1.9 7.1.10 7.1.11 7.1.12 7.1.13 7.1.14 7.1.15
ELEKTRICKÝ NÁBOJ ČÁSTIC…….……………………………………………..128 ELEKTRICKÝ ODPOR…………………………………………………………….129 SYPNÝ ÚHEL A ÚHEL SKLUZU…………………………………………………130 LEPIVOST…………………………………………………………………………..130 OPOTŘEBENÍ………………………………………………………………………131 SMÁČIVOST………………………………………………………………………..131 VÝBUŠNOST……………………………………………………………………….132 ROZPUSTNOST……………………..…………………………………………….133
7.2 FYZIKÁLNÍ PRINCIPY ODLUČOVÁNÍ……………………………………….133 7.2.1 GRAVITAČNÍ SÍLA…..…………………………..………………………………..133 7.2.2 ODSTŘEDIVÁ SÍLA……………………………………………………………….135 7.2.3 ELEKTROSTATICKÁ SÍLA……………………………………………………….136 7.2.4 DIFUZNÍ JEVY……………………………………………………………………..140 7.2.5 KOAGULAČNÍ JEVY………………………………………………………………140 7.2.6 FILTRACE…………………………………………………………………………..140 7.3 KONSTRUKCE A TECHNICKÉ PARAMETRY ODL. PRACHU …………. 141 7.3.1 SUCHÉ MECHANICKÉ ODLUČOVAČE PRACHU - CYKLÓNY………….…141 7.3.2 MOKRÉ MECHANICKÉ UČOVAČE……………………………………………..143 7.3.2.1 SPRCHOVÉ VĚŽE ………………………………………..………………………143 7.3.2.2 PĚNOVÉ ODLUČOVAČE………………..……………………………………….145 7.3.2.3 PROUDOVÉ ODLUČOVAČE………………..…………………………………...146 7.3.2.4 DALŠÍ TYPY MOKRÝCH MECHANICKÝCH ODLUČOVAČŮ …………..….148 7.4. ELEKTROSTATICKÉ ODLUČOVAČE………………………..……………...148 7.4.1 VERTIKÁLNÍ TRUBKOVÉ ODLUČOVAČE……………………………..……..149 7.4.2 HORIZONTÁLNÍ KOMOROVÉ ODLUČOVAČE………………………..……...151 7.5 TEXTILNÍ FILTRY………………………………………….……………………152 7.6 FYZIKÁLNĚ-MECHANICKÉ ČIŠTĚNÍ KAPALIN…………………………..155 7.6.1 LAPÁKY ŠTĚRKU A PÍSKU…………………………..…………………………155 7.6.2 ČESLE………………………………………………………………….……………156 7.6.3 SÍTA……..………………………………..…………………………………………155 7.6.4 LAPÁKY OLEJŮ A TUKŮ………………………………………………………...156 7.6.5 USAZOVÁKY………………………………………………………………………157 7.7 FILTRAČNÍ ZAŘÍZENÍ KAPALIN……………………………………………..159 7.7.1 NUČ…………………………………………………………………………………159 7.7.2 KOMOROVÉ FILTRY……………………………………………………………..160 7.7.3 SVÍČKOVÉ FILTRY……………………………………………………………….161 7.7.4 BUBNOVÉ FILTRY………………………………………………………………..162 7.7.5 PÁSOVÉ FILTRY A PÁSOVÉ LISY..……………………………………………..163 7.8 ODSTŘEDIVKY………..…………………………………….……………………164 7.8.1 DEKANTÉRY………………………………………………………………………164 7.8.2 FILTRAČNÍ ODSTŘEDIVKY……………………………………………………..165 8. 8.1 8.2 8.3. 8.4
SDÍLENÍ TEPLA…………………………………………………………………..168 SDÍLENÍ TEPLA VEDENÍM (KONDUKCÍ)…………………..…………………169 SDÍLENÍ TEPLA SÁLÁNÍM (RADIACÍ) ………………………………………..171 SDÍLENÍ TEPLA PROUDĚNÍM (KONVEKCÍ) ……………………………….....175 PROSTUP TEPLA ……………………………………………………………..….179
7
8.5 8.5.1 8.5.2 8.5.3 8.6
ZAHŘÍVÁNÍ, CHLAZENÍ A KONDENZACE …………………………………180 ZAHŘÍVÁNÍ ………………………………………………………………………..181 CHLAZENÍ …………………………………………………………………………182 VÝMĚNÍKY TEPLA ……………………………………………………………….184 ODPAŘOVÁNÍ ………………………………………..…………………………..188
9. PŘESTUP HMOTY - DIFÚZNÍ PROCESY …………………………………….192 9.1 ABSORPCE ……………………..………………………………………….……..192 9.1.1 TERMODYNAMIKA ABSORPCE ………………………………………………..192 9.1.2 KINETIKA ABSORPCE …………………………………………….……………..194 9.1.3 KONSTRUKCE A TECHNOLOGICKÉ USPOŘÁDÁNÍ ABSORPCE …………..199 9.1.4 ABSORPCE S CHEMICKOU REAKCÍ (PŘÍLADY) ……………………………..205 9.1.5 DESORPCE (EXSORPCE) ………………………………………….……………..209 9.2 ADSORPCE ………………………………………………………………………..210 9.2.1 FYZIKÁLNÍ ADSORPCE …………………………………………….……………210 9.2.2 CHEMISORPCE ……………………………………………………………………211 9.2.3 TERMODYNAMIKA ADSORPCE ………………………………………………..212 9.2.4 KINETIKA ADSORPCE …………………………………………………………...213 9.2.5.1 ADSORBÉRY S PEVNÝM LOŽEM ………………………………………………213 9.2.5.2 ADSORBÉRY S POHYBLIVÝM LOŽEM ………………………………………..215 9.3 KRYSTALIZACE …………………………………………………..…………..…217 9.3.1 FÁZOVÁ ROVNOVÁHA ………………………………………………………….217 9.3.2 KINETIKA RŮSTU KRYSTALŮ …………………………………………………219 9.3.3 HLAVNÍ TYPY KRYSTALIZÁTORŮ ……………………………………………220 9.4 GRANULACE, TABLETACE, ŠUPINKOVÁNÍ ………………………………….223 9.5 SUŠENÍ …………………………………………………………………………….226 9.5.1 MECHANISMUS SUŠENÍ ………………………………………………………...229 9.5.2 MATERIÁLOVÁ BILANCE KONTINUÁLNÍ PROTIPROUDÉ SUŠÁRNY ……230 9.5.3 ENTALPICKÁ BILANCE KONTINUÁLNÍ PROTIPROUDÉ SUŠÁRNY ………231 9.5.4 TEORETICKÉ ŘEŠENÍ SUŠENÍ POMOCÍ STAVOVÉHO DIAGRAMU ……....231 9.5.5 ZÁKLADNÍ KONSTRUKČNÍ TYPY SUŠÁREN ………………………………...233 9.6 DESTILACE A REKTIFIKACE ………………….……………………..………238 9.6.1 CHARAKTERISTIKA SOUSTAV ………………………………………………...238 9.6.2 ROVNOVÁŽNÝ ISOBARICKÝ FÁZOVÝ DIAGRAM NEAZEOTROPNÍ SOUSTAVY………………………………………………………………………...239 9.6.3 ROVNOVÁŽNÝ ISOBARICKÝ FÁZOVÝ DIAGRAM AZEOTROPNÍ SOUSTAVY………………………………………………………………………...240 9.6.4 ZÁKLADNÍ TYPY DESTILACÍ …………………………………………………..242 9.7 EXTRAKCE ……………………………………………………………………….245 9.7.1 ROVNOVÁŽNÝ DIAGRAM PRO EXTRAKCI………………….………………..246 9.7.2 ZPŮSOBY PROVÁDĚNÍ EXTRAKCE KAPALINY KAPALINOU……………...248 9.7.3 TYPY EXTRAKTORŮ A EXTRAKČNÍCH KOLON………………………….….248 9.7.4 PRŮMYSLOVÉ POUŽITÍ EXTRAKTORŮ……………………………………….249 10. 10.1 10.2 10.2.1 10.2.2
ZÁKLADY SYSTÉMŮ ŘÍZENÍ TECHNOLOGICKÝCH PROCESŮ ………251 ZÁKLADNÍ POJMY, ZÁKLADNÍ PRVKY OBVODŮ MĚŘENÍ A ŘÍZENÍ ….. 251 METODY MĚŘENÍ FYZIKÁLNÍCH A FYZ.-CHEMICKÝCH VELIČIN ………252 TEPLOTA ………………………………………………………………………… 253 TLAK ……………………………………………………………………………... 253
8
10.2.3 10.2.4 10.2.5 10.2.6 10.2.7 10.2.8 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7
HLADINA ………………………………………………………………………... 253 PRŮTOK …………………………………………………………………………. 254 HMOTNOST ……………………………………………………………………... 256 HUSTOTA ……………………………………………………………………….. 256 ELEKTRICKÉ VELIČINY ………………………………………………………. 257 KVALITATIVNÍ VELIČINY ……………………………………………………. 258 ZÁKLADY TEORIE ŘÍZENÍ …………………………………………………… 257 PŘECHODOVÉ CHARAKTERISTIKY ………………………………………… 261 ZÁKLADNÍ STRUKTURA ŘÍDÍCÍHO OBVODU …………………………….. 262 OBECNÝ POPIS ČÍSLICOVĚ ŘÍZENÉ SOUSTAVY …………………………. 262 ZPŮSOBY OZNAČOVÁNÍ OBVODŮ MĚŘENÍ, REGULACE A ŘÍZENÍ …... 265
11. 11.1 11.1.1 11.1.2 11.2 11.3 11.4 11.4.1 11.4.2 11.4.3 11.4.4 11.4.5 11.4.6 11.4.7
ÚPRAVA VODY ………………………………………………………………… 268 ZDROJE VOD ……………………………………………………………………. 268 POVRCHOVÉ VODY ……………………………………………………………. 268 PODZEMNÍ VODY ……………………………………………………………… 269 POTRUBNÍ SÍTĚ ………………………………………………………………… 271 TECHNOLOGIE ÚPRAVY PITNÉ VODY …………………………………….. 272 TECHNOLOGICKÉ PROCESY ÚPRAVY POVRCHOVÉ VODY ……………. 275 MECHANICKÉ PŘEDČIŠTĚNÍ VODY PŘED ÚPRAVNOU …………………. 275 ÚPRAVA pH ………………………………………………………………………275 ÚPRAVA VODY ČIŘENÍM …………………………………………………….. 276 ODŽELEZOVÁNÍ A ODMANGANOVÁNÍ ……………………………………. 276 FILTRACE ……………………………………………………………………….. 277 DESINFEKCE ……………………………………………………………………. 277 OSTATNÍ TECHNOLOGICKÉ OPERACE UŽÍVANÉ PŘI ÚPRAVĚ VOD …. 278
12. 12.1 12.2 12.2.1 12.2.2 12.3
TECHNICKÉ PLYNY …………………………………………………….……. 279 ZÁKLADNÍ FYZ.-CHEM. VLASTNOSTI TECHNICKÝCH PLYNŮ …..……. 279 VÝROBA TECHNICKÝCH PLYNŮ ………………………………..………….. 280 CHEMICKÉ VÝROBNÍ POSTUPY ………………………………..…………… 280 FYZIKÁLNÍ POSTUPY VÝROBY TECH. PLYNŮ …………………………… 289 DOPRAVA A SKLADOVÁNÍ TECHNICKÝCH PLYNŮ ……………………… 294
13.
LITERATURA ………………….……………………………………………….. 297
9
1.0 Materiálové a energetické bilance V současnosti o komerční úspěšnosti konkrétních výrobních postupů rozhodují vedle kvality, užitných vlastností produktů a ekonomických ukazatelů konkrétní výrobní technologie také minimalizace negativních vlivů na pracovní a životní prostředí. Velmi důležitou vstupní informací jsou údaje o spotřebě všech surovin, pomocných látek a energií, informace o jejich tocích - množství a složení ve všech vstupních a výstupních proudech i mezi jednotlivými technologickými operacemi. Z tohoto důvodu je nezbytné pečlivé bilancování všech toků materiálů a energií. Základem pro zpracování bilancí jsou zákony zachování hmoty a energie, které lze obecně vyjádřit následovně: Σ hmot vstupujících do systému = Σ hmot vystupujících ze systému + akumulace v systému
Σ energií ve vstupních proudech + energie dodaná systému = = Σ energií ve výstupních proudech + vykonaná práce + akumulace energie v systému Materiálové bilance jsou vždy základem pro zpracování bilancí energetických. Při úplné energetické bilanci se do jednotlivých položek zahrnují všechny druhy energií, jako jsou např. energie tepelná, vnitřní, potenciální, kinetická, povrchová, tlaková, elektrická, energie proudící kapaliny. Často je sestavována zjednodušená energetická bilance, v níž jsou vynechány ty položky, které jsou vůči ostatním zanedbatelné. Nejběžnější formou energetických bilancí jsou tepelné - entalpické bilance. Tepelnou bilanci průtočného systému lze vyjádřit obecným vztahem: Hvstup
+
Q
=
Hvystup ,
kde Hvstup je celkový vstupní a Hvystup je celkový výstupní entalpický tok a Q je tepelný tok převáděný přes hranici systému. Tepelnou bilanci lze sestavit jak pro množství tepla (J), tak pro tepelné toky (J/h). Záleží na tom, zda je základem tepelné bilance jednotka množství (kg, kmol) nebo jednotka toku látky (kg/h, kmol/h). Zpracování detailní materiálové a energetické (tepelné) bilance pro každou výrobní operaci a nakonec celou výrobnu konkrétního produktu dává jasný přehled jak o pohybu hmot a energií v systému, tak i všech ztrátách materiálu a energií. Vlastní technika bilančních výpočtů je samostatně popsána ve sbírce příkladů k předmětu "Úvod do průmyslových technologií". Konkrétní příklady jsou probírány na cvičeních k tomuto předmětu. Spotřeby surovin a energií vztažené na jednotku produkce, zpravidla 1 tunu výrobku, definují příslušnou spotřební normu. Spotřební normy surovin a energií náleží do skupiny tzv. technicko-hospodářských norem (THN). THN dále zahrnují např. normy spotřeby práce výrobních dělníků, normy skladových zásob, finančně vyjádřené normy údržby technologického zařízení aj. Účinnost využití vstupních surovin a tím úroveň ztrát, která vyplývá z THN, rozhodujícím způsobem ovlivňuje nejen ekonomické, ale i ekologické parametry příslušné výroby. Surovinová a energetická náročnost konkrétních výrob ukazuje na čerpání příslušných přírodních zdrojů. Množství ztrát materiálů, jejich fyzikální, chemické a případně 10
toxikologické vlastnosti určují vznik a charakter plynných, kapalných a tuhých odpadů, resp. nároky na jejich úpravu, přepracování a opětné využití ve výrobě. Ztráty energií do okolí např. sáláním, množství a teplota vypouštěných oteplených vod, plynů a par vypovídají o tepelném znečištění vody a atmosféry. Promítají se přímo do technicko-hospodářských norem, ale zároveň jsou dle nich stanovovány vlivy příslušné výroby na pracovní a životní prostředí. Pokud jsou v příslušném stupni schvalovacího řízení projektu nebo rozhodnutím o zkušebním či trvalém provozu výrobny potvrzena orgány státní správy, stávají se závaznými pro projektanta ve fázi projekce a následně pro provozovatele konkrétní výrobní technologie. Např. překročení množství a koncentrací škodlivin v některém z materiálových toků zjištěné na základě objektivního měření je ze zákona důvodem pro zahájení správního řízení. Při prokázání technologické nekázně oproti reglementovaným a schváleným parametrům pokutuje správní orgán provozovatele výrobní technologie nebo má až právo příslušnou výrobu zastavit. Spotřeby surovin a energií vztažené na jednotkovou produkci (t.j. technickohospodářské normy) vyjádřené v peněžních jednotkách jsou označovány jako přímé náklady výroby. Promítají se tak do výrobních nákladů výroby konkrétního produktu a jsou součástí jeho ceny. Úroveň využití vstupních surovin a energií se tak bezprostředně promítá až do ekonomických výsledků provozovatele dané výrobní technologie včetně dosahovaného zisku. V konečné fázi rozhoduje využití surovin a energií spolu s dalšími parametry výroby a výrobku o konkurenceschopnosti výrobní technologie a výrobku na trhu. Materiálové a energetické bilance jsou vždy součástí předprojektové, projektové a provozní dokumentace (technologického reglementu včetně příslušných THN) každé výroby. Poskytují zásadní údaje nezbytné pro zpracování studií vlivu technologií na složky životního prostředí (EIA), posuzování a akreditaci technologií dle norem ISO 9000 a ISO 14000, vydávání příslušným certifikátů. Výše uvedené skutečnosti dokumentují význam materiálových a energetických bilancí pro průmyslové výrobní technologie. Bližší podrobnosti k metodice s příklady výpočtů materiálových a energetických bilancích jsou v publikaci Sbírka příkladů z obecné a průmyslové chemie autorů T.Loučka, M.Richter vydané FŽP UJEP pro potřeby studentů 1. a 2. ročníků bakalářského studia všech oborů. Úplný text sbírky je také dostupný na www stránkách pod adresou http://fzp.ujep.cz .
Kontrolní otázky 1. 2.
Které základní zákony jsou základem pro zpracování materiálových a energetických bilancí? K jakým účelům v technické a ekonomické praxi jsou materiálové a energetické bilance určeny?
11
2.0.
Těžba a úprava nerostných surovin
2.1.
Přírodní zdroje
Obnovitelné přírodní zdroje – jsou zdroje surovin, které se v přírodě buď samovolně probíhajícími procesy nebo procesy záměrně realizovanými člověkem obnovují. Mezi obnovitelné přírodní zdroje (nejdůležitější složky přírodního bohatství) náleží např. voda, vzduch, půda a na ní rostoucí zemědělské a lesní kultury. Obnovitelným zdrojem jsou rovněž produkty živočišné výroby nebo lovu zvěře. Již z tohoto výčtu a zkušenosti je patrné, že v určitém stádiu rozvoje lidské společnosti nelze vyloučit antropogenní poškození obnovitelných přírodních zdrojů, kterým může být jejich reprodukce částečně nebo zcela blokována. Obnovitelné suroviny jsou zpravidla chráněny zákony na ochranu přírody nebo životního prostředí (Zákon o ochraně vod, Zákon o ochraně ovzduší, Zákon o půdě, Zákon o odpadech aj.). Plný text příslušných zákonů, prováděcích vyhlášek, předpisů a emisních limitů je dostupný na internetové adrese Ministerstva životního prostředí pod adresou http://env.cz . Neobnovitelné přírodní zdroje - jsou zpravidla ložiska minerální nerostných surovin, která se v přírodě neobnovují 1. Nerostnými surovinami se mohou stát ty nerostné přírodniny, které lze využít přímo nebo po úpravě k průmyslovému přepracování. Přírodniny lze seřadit dle kvantitativních a kvalitativních hledisek do následující posloupnosti: - výskyt přírodniny - akumulace v přírodním prostředí – koncentrace v příslušných minerálech je tak nízká nebo z pohledu úpravárenských procesů tak nevýhodná, že její průmyslové využití za daného stupně technologického rozvoje neumožňuje její ekonomické využití. Zařazení mezi nerostné suroviny proto za daných podmínek není možné. - zdroj nerostné suroviny - je akumulace přírodniny, která v současnosti nebo za definovaných podmínek v blízké budoucnosti je využitelná pro průmyslovou těžbu dle předpokládaného nebo geologickým průzkumem ověřeného rozsahu zásob. - ložisko nerostné suroviny - akumulace žádaného minerálu v přírodním prostředí a konkrétní lokalitě je tak velká, že je technologicky i ekonomicky schůdná těžba a zpracování příslušného minerálu. - rudy - nerostné suroviny, ze kterých lze získat kovy. 2 Neobnovitelné suroviny jsou ve většině zemí předmětem zákonné ochrany, v ČR tzv. Horního zákona. Základem ochrany nerostného bohatství je důsledné vedení jeho evidence. Vstupní data pro tuto evidenci poskytuje geologický průzkum a na něj navazující metody výpočtů zásob nerostných surovin. V některých případech je rychlost obnovy přírodních nerostných zdrojů tak nízká oproti úrovni těžby ložisek v jiných lokalitách, že ji lze zanedbat. Příkladem nechť je rychlost vzniku vápenců na korálových útesech tropických moří proti objemům jejich průmyslové těžby.
1
Rudy mohou obecně obsahovat sloučeniny více kovových prvků. Pak je hovořeno o polymetalických rudách. V některých případech rudy kovů obsahují i další průmyslově využitelné složky, např. síru v sulfidických rudách (pyrit, chalkopyrit, galenit, sfalerit, blejno zinkové aj.). Pak může být ruda významnou surovinou jak pro hutnictví tak i pro chemický průmysl. 2
12
Výpočty zásob nerostných surovin se liší dle skupenství nerostné suroviny: - pevné suroviny jsou bilancovány v tom stavu, v jakém se vyskytují v ložisku bez ohledu na metody těžby, úpravy nebo možností jejich dalšího využití, - kapalné nerostné suroviny (podzemní voda, ropa), - plynné suroviny3 (zemní plyn, karbonský plyn) jsou bilancovány s ohledem na vytěžitelný podíl zásob. Z metod výpočtů zásob pevných nerostných surovin jsou nejdůležitější následující: - metoda bloků (geologických nebo těžebních), - metoda řezů (horizontálních, vertikálních nebo kombinovaných), - metody statistické (koeficient rudonosnosti aj.), - metoda izolinií. Zásoby podzemních vod jsou vyjadřovány tzv. vydatností zdroje (např. v m3.s-1), která prakticky odpovídá výši přítoku vody, kterou lze z ložiska čerpat, aniž by došlo k narušení režimu v ložisku (pánvi, zvodni). Zásoby ropy a zemního plynu jsou vypočítávány metodami objemovými nebo statistickými. Objemová metoda předpokládá náhradu nerostné suroviny v pórech kolektorské horniny např. vodou a objem vytěsněné ropy nebo zemního plynu je jí úměrný. Takto zjištěný objem je násoben koeficientem výtěžnosti závislým na ložiskovém režimu: - efektivní režim tlakových vod: 0,6 - 0,8 - efektivní režim plynové čepice: 0,5 - 0,7 - neefektivní režim plynové čepice: 0,4 - 0,6 - režim rozpuštěného plynu: 0,2 - 0,4 - gravitační režim: 0,1 - 0,2 Např. při gravitačním režimu v ložisku zůstává 80 – 90% zásob ropy jako nevytěžitelný podíl. Statistické metody výpočtu zásob vycházejí z extrapolace empiricky získaných křivek závislosti poklesu tlaku v ložisku na objemu vyčerpané nerostné suroviny. Výpočty zásob nerostných surovin je nutné korigovat dle použité technologie geologického průzkumu, technologie těžby nebo dle skutečných těžebních poměrů v ložisku, stádiu těžby a pod. Hodnocení zásob nerostných surovin se vždy vztahuje k tzv. geologickým zásobám vyjadřujícím s co možná největší přesností množství a kvalitu nerostné suroviny v přirozeném uložení - ložisku. Jsou rozlišovány zásoby nerostných surovin: - prognózní (předpokládané) geologické zásoby - jedná se o zásoby nerostných surovin, u nichž je geologický průzkum a bilance zásob teprve rozpracována a dále se zpřesňuje. - ověřené geologické zásoby: Ověřené geologické zásoby se na ložiscích nerostných surovin dělí v současnosti podle úrovně znalostí o ložisku a báňsko-technických podmínek dobývání do čtyř kategorií: A, B, C1 a C2. Bilanční zásoby vyhovují podmínkám dobývání a zpracování, jsou určeny k hospodářskému využití.
Základní složkou přírodních plynů je metan. Ten je často provázen oxidem uhličitým, dusíkem, sulfanem, ale i např. heliem.
3
13
Nebilanční zásoby vyhovují podmínkám dobývání a zpracování, ale jejich hospodářské využití není z různých důvodů vhodné (ochrana krajiny a životního prostředí, narušení nebo likvidace sídel, kulturních památek aj.). 4 Dále jsou rozlišovány geologické zásoby: - volné - určené k hospodářskému využití bez dalších omezení, vázané - netěžitelné zásoby v ochranném pilíři těžních jam a povrchových lomů, zařízení dolů, vybraných sídel, veřejných komunikací, vodních toků nebo zdrojů minerálních vod a pod. 5 Všechny geologické zásoby, ať již bilanční a nebilanční, volné nebo vázané jsou evidovány odděleně Českým geologickým úřadem. Náklady na využití ložisek mají následující položky: - geologický průzkum: - je určen k vyhledávání a ověření zásob nerostných surovin v ložiscích. - otevření těžby: - zahrnuje náklady na vystavění těžebního a úpravárenského závodu, výstavbu inženýrských sítí (např. přívodní linky elektřiny, vody, kanalizační sítě, komunikace, skládky pro uložení odpadů z úpravny) včetně vyvolaných investic, např. výstavbu ubytovacích zařízení s jejich infrastrukturou. - těžbu: - zahrnuje veškeré náklady spojené s provozem těžebního závodu, např. povrchového lomu nebo hlubinného dolu, vrtů na jímání podzemních vod, ropy, zemního plynu. - úpravu nerostných surovin: - tato nákladová položka zahrnuje všechny náklady spojené s úpravou nerostné suroviny nutnou pro další její průmyslové využití. - rekultivace: - do položky rekultivací jsou zahrnuty všechny náklady spojené se sanací těžební lokality – území - po ukončení těžby. Ztráty při těžbě a využití nerostných surovin jsou vyvolány hlavně následujícími příčinami: - zvolenou technologií těžby - při podzemním dobývání obvykle ztráty dosahují 10 - 30%, ale mohou dosáhnout i hodnoty 50%. Jejich největší část většinou tvoří ochranné pilíře báňských staveb, jak bylo uvedeno dříve. - úpravárenskou technologií - ztráty zpravidla rostou s poklesem koncentrace užitkového nerostu v surovině, s jeho jemnou zrnitostí a nepravidelným rozložením ve výchozích nerostech, chemickým složením, případně složitou krystalickou strukturou minerálů. Ztráty v úpravně dosahují obvykle hodnot do 10 %, ale mohou dostoupit až 40 %. Toto významně zatěžuje odpadové hospodářství úpravny a její ekonomiku. - ztráty během přepravy - veškeré dopravní systémy užívané mezi těžními provozy a zpracovatelskými provozy vykazují určité ztráty surovin. Vyšší ztráty vykazují systémy přepravy volně ložených materiálů (otevřené železniční vagóny, nákladní auta a lodě), uzavřené přepravní systémy mají obecně ztráty nižší (kontejnery, cisterny, přepravní vaky a pytle). Ztráty vznikají závadami na těchto systémech Principiálně není vyloučeno využití nebilančních geologických zásob v budoucnosti. Např. využitím nových těžebních technologií nebo změnou situace na trhu surovin, ekonomických podmínek těžby a úpravy suroviny, které umožní výraznější investice do otevření ložiska včetně eliminace rizik pro okolí.
4
5
Např. pod Teplicemi je ponechán piliř v ložisku hnědého uhlí chránící prameny léčivých termálních vod.
14
nebo vlastnostmi přepravovaného materiálu (např. lepivost, prašnost). Vyšší ztráty vykazují materiály práškovité úletem prachu do okolí (např. za větrného počasí během přepravy a překládky) nebo materiály lepivé, případně mokré a v zimě přimrzající k povrchu dopravních zařízení. Ztráty během přepravy se pohybují mezi 2 - 5 %. - zpracovatelskou technologií - při přepracování upravené nerostné suroviny na konečný produkt se ztráty běžně pohybují kolem 3%, výjimečně dosahují až 10%. Obvykle ztráty při přepracování rostou s počtem technologických operací. 2.2
Průmyslové využití nerostných surovin
Nerostné suroviny lze rozdělit do několika základních skupin dle jejich převažujícího uplatnění v průmyslové praxi. Dále jsou uvedeny jednotlivé skupiny a hlavní nerostné suroviny, které do nich náleží: Energetické suroviny: Do skupiny neobnovitelných energetických surovin náleží všechna fosilní paliva nebo přírodní suroviny nezbytné pro jejich výrobu: - antracit, černé a hnědé uhlí, lignit, hořlavé břidlice, rašelina. - ropa. - zemní plyn ropný a karbonský. - uran, thorium. Rudy pro hutnictví železa a neželezných kovů: Do této skupiny nerostných surovin náleží rudy hlavně oxidické a jejich hydráty, sulfidické a uhličitanové rudy umožňující hutnickou výrobu kovů: - železa, manganu, chrómu, molybdenu, wolframu, vanadu, kobaltu, titanu, olova, mědi zinku, cínu, rtuti, hliníku, hořčíku, antimonu. - průmyslové vzácné kovy a prvky, např. arsen, bismut, kadmium, selen, berylium, zirkon, tellur, tantal, niob, lithium, cesium, gallium, rhenium, indium, rubidium, rhodium, zlato, stříbro, platina a prvky vzácných zemin. Chemické suroviny: - sirné (pyrit, elementární síra), - chloridy (NaCl - kamenná sůl, KCl – sylvín aj.), - fosfáty – fosforečnany vápenaté (fosfority sedimentárního původu a apatity vulkanického původu), - vápenec (CaCO3), dolomit (CaCO3.MgCO3), magnezit (MgCO3), - dusičnany (NaNO3 - chilský ledek), - trona (Na2CO3.NaHCO3.2 H2O), potaš (K2CO3), - boráty (zpravidla sodné soli a jejich hydráty odvozené od kyseliny borité), - sádrovec (CaSO4.2 H2O), - nerosty lithia a stroncia, - solanky – nasycené roztoky uhličitanů a chloridů sodných, draselných aj. pocházející z přírodních slaných jezer (USA, Mexiko, jižní Sahara, Izrael, Střední Asie, Čína, Austrálie) nebo ze zatopených solných dolů. Stavební a brusné suroviny: - stavební kameny, štěrk (žula, rula, čedič, znělec, pískovec, opuka, mramor), - cementářské suroviny (vápence, jíly a slínovce s vysokým podílem vápenatých sloučenin),
15
- jíly (např. cihlářské, keramické), - písek (např. říční štěrkopísek, štukatérský písek), - asfalt, křemen, slída, diatomit, magnezit, okry, - granát, korund, diamant. Hutnické žáruvzdorné a průmyslové nerudné suroviny: - azbest, slída, grafit, mastek, diatomit, magnezit, kryolit, živec, dolomit, bauxit, kaolin, písek, jíly, kyanit, křišťál, silimanit, nefeliny. Klenotnické suroviny: - diamant, korund, beryl, spodumen, opál, turmalin, spinel, chrysoberyl, granát, křemen, serpentin, malachit, rhodonit. 2.3.
Druhotné surovinové zdroje
Druhotným surovinovým zdrojem jsou rozuměny všechny zpracovatelné odpady a opotřebované předměty, které jsou samostatně shromažďovány a zpracovávány z výrobní i nevýrobní sféry. Druhotné suroviny se vyznačují: - využitelností alespoň části látkové substance pro výrobu nových výrobků, užitných předmětů, - technicko-technologickou a ekonomickou schůdností třídění, sběru, svozu a přepracování odpadních materiálů. Druhotné suroviny lze rozdělit do následujících základních skupin odpadních materiálů: - železné a neželezné kovy, - papír a lepenka, - textilie přírodní a syntetické, - plastové fólie, nádoby a výlisky, - sklo čiré a barevné, - upotřebené oleje a maziva minerálního původu, - upotřebené potravinářské oleje a tuky, - technická pryž a pneumatiky, - stavební odpad (cihly, prefabrikáty, maltoviny, dřevo aj.), - odpady z energetiky (škvára, struska, popílek, energosádra, energosádrovec), - elektronika a elektrické spotřebiče, - svítidla - žárovky, zářivky a výbojky, - nátěrové hmoty a ředidla, - suché baterie a akumulátory, - léčiva a chemikálie (např. upotřebené vývojky z fotochemie, mořící lázně z hutnictví). - biologické odpady zkrmitelné, kompostovatelné, fermentovatelné a pod. Odpady jsou kvalitní druhotnou surovinou za předpokladu, že se je podaří v místě vzniku (u původce) v maximální možné míře vytřídit ručně (např. v domácnostech a provozovnách služeb) nebo strojově a bez dalšího znečištění je předat k přepracování. Znečišťující látky vždy druhotnou surovinu znehodnocují, zhoršují její využitelnost a mohou být až příčinou její další nezpracovatelnosti.
16
Nečistoty v každé surovině, tedy i surovině druhotné, obecně zvyšují spotřební normy surovin a energií, množství odpadů všech skupenství, riziko poruchovosti technologického zařízení a zhoršení kvality výrobků. Tím se zhoršená kvalita surovin promítá přímo do výrobních nákladů a ekonomiky výroby. Proto je důležitým kritériem zpracovatelnosti druhotných surovin ekonomická efektivnost celého procesu využití druhotné suroviny zahrnující veškeré finanční náklady spojené s jejich přepracováním. 2.4
Těžba nerostných surovin ve světě a ČR
Kvantitativní úroveň těžby a kvalita využívání nerostných i druhotných surovin je obecně závislá na stupni ekonomického a technologického rozvoje společnosti a konkrétního státu. Státní správa vymezuje pomocí zákonů a státních norem a zpravidla jen po přechodnou dobu také norem oborových, podnikových. Tím jsou definovány všeobecné podmínky pro využívání nerostných a druhotných surovin. Zároveň jsou stanoveny emisní limity do odpadních vod a ovzduší, tj. podmínky pro minimalizaci poškozování pracovního a životního prostředí, kontrolních mechanismů i sankcí za neplnění stanovených podmínek. Uvedené faktory spolu s vývojem mezinárodně-politické situace vždy zasahovaly do využívání surovinových zdrojů a celkového ekonomického vývoje. Tuto obecnou charakteristiku lze dokumentovat na příkladu vývoje od začátku dvacátého století, kdy byla těžba nerostných surovin významně ovlivněna: - druhou průmyslovou revolucí (pohony parní nahradily pohony elektrické), - oběma světovými válkami s prudkým rozvojem válečného průmyslu surovinově a energeticky náročného, - vědecko-technickou revolucí ve druhé polovině 20. století (po 2. světové válce), - ropnou a surovinovou krizí v roce 1973, - rozpadem světové socialistické soustavy po r. 1989 spojenou s transformací ekonomik států střední a východní Evropy na tržní hospodářství. Liberalizace cen nerostných surovin v bývalých socialistických státech a rozpad jejich ekonomicko-politického sdružení „Rada vzájemné hospodářské pomoci“ v roce 1990 vyvolala změny v poptávce a nabídce i na českém trhu. To způsobilo u neefektivních těžebních organizací útlum těžby, či její úplné zastavení. Naopak efektivní těžby a na ně vázaná zpracovatelská odvětví zaznamenaly velký kvantitativní, ale ne vždy také kvalitativní rozvoj. Hospodářský rozvoj, vývoj techniky, technologií a legislativy spolu s politickou situací ve světě se tak přímo promítá i do změn na světovém trhu nerostných nebo druhotných surovin. Základem technologického a civilizačního pokroku je především těžba všech energetických surovin. Ty podmiňující úroveň uspokojování energetických potřeb rozvíjejícího se hospodářství. Statisticky je prokazatelné, že méně než 20% obyvatelstva světa soustředěného do nejrozvinutějších zemí převážně severní polokoule spotřebovává přes 80% veškeré světové těžby energetických surovin. Obdobná situace je také např. v oborech těžby rud železných a neželezných kovů, jejich zpracování a spotřeby. Obecně platí, že do druhé světové války byl přírůstek těžby nerostných surovin prakticky lineární a po druhé světové válce je exponenciální.
17
Důležitou vlastností zásob nerostných surovin je jejich značně nerovnoměrné rozmístění po světě. Např. 50% prokázaných zásob zemního plynu důležitých pro zásobování Evropy je v Rusku na západní a severní Sibiři. Obdobně rozlohou 5% ropných polí nacházejících se v arabských zemích na Středním východě obsahuje 50% známých zásob ropy. Podobná situace je v rozmístění zásob uhlí, rud železa a barevných kovů i jiných nerostných surovin. Zpravidla deset prvních producentů na světě kterékoliv nerostné suroviny vytěží ročně více než 75% celosvětové těžby dané suroviny! 2.5.
Nerostné suroviny moří a oceánů
V současnosti se využívání nerostného bohatství moří a oceánů omezuje prakticky pouze na pás pobřeží a pevninského šelfu do hloubek cca 300 m, kde je v současnosti získávání surovin technicky a technologicky zvládnuto za přijatelných ekonomických podmínek. Nerostné suroviny z moří a oceánů lze rozdělit na suroviny: - rozpuštěné v mořské vodě, - uložené na dně moře, - uložené pod povrchem mořského dna. 2.5.1
Mořská voda
Na základě průměrného složení mořské vody se odhaduje, že v mořích a oceánech je rozpuštěno 4,8.1016 tun nerostných látek. Bylo v ní prokázáno 79 chemických prvků, z nichž 86,2% tvoří Na a Cl. Prvky Na, Mg, Ca, K, Sr, Cl, Br, S, C a B tvoří 99% minerálů rozpuštěných v mořské vodě (viz tabulka č. 1). Při získávání minerálních látek z mořské vody se využívá jejich rozdílné rozpustnosti postupné krystalizace při volném odpařování vody z mělkých krystalizačních nádržích na mořském pobřeží. Krystalizační metody využívající k odparu vody slunečního záření jsou využívány na pobřeží tropických a subtropických moří. Minerální soli jsou rovněž vedlejším produktem odsolovacích stanic produkujících pitnou vodu nuceným odpařováním mořské vody. Převážná většina odsolovacích stanic je situována hlavně na jihu USA a ve státech ležících na Arabském poloostrově, t.j. zemích relativně energeticky bohatých. Z mořské vody jsou získávány především následující minerální látky: NaCl - v mělkých krystalizačních nádržích se postupně působením slunečního záření volně odpařuje voda. Nejprve začne krystalizovat dihydrát síranu vápenatého CaSO4.2 H2O. Po jeho usazení se solanka napustí do druhé nádrže, kde krystalizuje NaCl až do hustoty solanky 1,28 kg/l. soli K - začínají krystalizovat při dalším odpařování solanky ve směsi síranů a chloridů Na, Mg, K. Promytím vodou a sušením lze získat schoenit K2SO4.MgSO4.6H2O. Po vysrážení Mg alkáliemi krystalizuje K2SO4 později bromidy a další soli. Mg(OH)2 - je získáván z částečně odpařených solanek srážením vápenným mlékem. Po usazení a usušení je rozpouštěn v HCl, zbytky Ca jsou sráženy ve formě síranu, který je oddělen filtrací. Dále je zpracováván již jen předčištěný filtrát MgCl2. Po odpaření a krystalizaci je chlorid hořečnatý roztaven a elektrolyzován na kovový Mg (99,8%) a plynný chlor. Tento výrobní postup je uplatňován v průmyslovém měřítku od 2. světové války v USA a Japonsku, kde je nedostatek minerálů obsahujících hořčík. Kromě výše uvedených klasických krystalizačních metod se pro získávání minerálních látek z mořské vody mohou uplatnit i další technologické postupy: - sorpce na iontoměničích, 18
2.5.2
elektroforéza, membránová filtrace, biologická sorpce, extrakce popela mořských rostlin. Povrch mořského dna
Usazeniny na povrchu mořského dna mohou být rovněž zdrojem nerostných surovin. Tato ložiska minerálů se nachází v mořích poblíž ústí řek, které buď protékají sopečnými oblastmi nebo svým erozivním působením uvolnily příslušné minerály z pevninských nalezišť. Rovněž se ložiska minerálů nachází v místech podmořských vývěrů termálních vod. Tyto jevy jsou prokázány na okraji litosférických bloků nebo v místech hlubokomořských hřbetů. Ze silně mineralizované vody uvedeného původu při kontaktu s relativně chladnou mořskou vodou v důsledku změn teploty a přítomnosti dalších minerálů určité koncentrace krystalizují a následně sedimentují původně rozpuštěné minerály. Uvedeným mechanismem vznikla ložiska - sedimenty s minerály obsahujícími: - Mn, Fe, Cu, Zn, Pb v Rudém moři, Adenském zálivu a Kalifornském zálivu, - cín u pobřeží Indonésie (ostrovy Bangka a Belitung), Thajska a Malajsie, - železo a titan ve formě titanomagnetitu u pobřeží Japonska, - monazitový písek s vysokým obsahem prvků vzácných zemin na pobřežích jihovýchodní Asie, Floridy, JAR a Brazílie, - zirkon na pobřeží Španělska, Turecka, Egypta, - titan v ilmenitu a rutilu na pobřeží JAR, Floridy a Egypta. - barit u pobřeží Indonésie, jižní Kalifornie a Ceylonu. V řadě z výše uvedených míst jsou příslušné minerály těženy na příbřežních rýžovištích z hloubek do několika desítek metrů drapákovými nebo sacími bagry. Na hlubokém mořském dně v Tichém oceánu jsou prokázána ložiska manganových konkrecí (hrudek o velikosti 0,5 - 25 cm obsahující hlavně MnO2) i jiných minerálů. Těžba z těchto ložisek je v současnosti technicky extrémně náročná a proto neekonomická. 2.5.3
Nerostné suroviny pod povrchem mořského dna
Pod povrchem mořského dna jsou nacházena ložiska minerálů a postupně jsou těženy následující nerostné suroviny: - síra u pobřeží Luisiany Fraschovou metodou 6. - ropa a zemní plyn v Severním moři (Norsko, V. Británie, Dánsko, Nizozemsko), Mexickém zálivu (USA , Mexiko), Karibském moři (Venezuela), Kaspickém moři (Azerbajdžán), Jihočínském moři (Čína, Borneo), Perském zálivu (Kuvajt, Irán, Irák, Saudská Arábie, SAE), Tichém oceánu (Peru, Chile), Atlantském oceánu (Brazílie). V současnosti se těží z ocelových nebo betonových těžních plošin zakotvených ve dně moře s hloubkou až kolem 300 m. - uhlí ve V.Británii, Austrálii, Kanadě, Japonsku, Tchaivanu, Turecku, Vietnamu. Štoly pro těžbu jsou hloubeny pod mořské dno z pevniny. - kamenná sůl pod Irským a Baltským mořem (zatím netěžena). Do vrtu je vháněna přehřátá vodní pára a stlačený vzduch. Síra je v ložisku roztavena a stlačeným vzduchem vytlačována na povrch. Zde je filtrací zbavena mechanických nečistot a je dopravována k dalšímu zpracování.
6
19
Získávání nerostných surovin z moří a oceánů ve větším měřítku nastalo od druhé světové války a zejména pak od ropné a surovinové krize v sedmdesátých letech 20. století, kdy ceny základních surovin vzrostly až o několik set procent. Tím se jejich těžba za obtížných technologických, geografických a geologických podmínek ekonomicky vyplatila. Tabulka č. 2.1 - Průměrný obsah některých prvků v mořské vodě mg/l
t/km3
Cl
19 000
19 000 000
Na
10 500
10 500 000
Mg
1 350
1 350 000
S
885
885 000
Ca
400
400 000
K
380
380 000
Br
65
65 000
C
28
28 000
prvek
2.6
Sr
8,0
8 000
B
4,6
4 600
Si
3,0
3 000
F
1,3
1 300
Li
0,2
200
Rb
0,12
120
I
0,06
60
Ba
0,03
30
Fe
0,01
10
Al
0,01
10
Zn
0,01
10
Mo
0,01
10
Těžba nerostných surovin na pevnině
Těžba nerostných surovin z moří a oceánů i přes rozsáhlá preventivní opatření právní cestou vynucená na těžařských společnostech je vždy spojena s rizikem znečištění mořské vody cizorodými látkami a poškozením životního prostředí - mořských ekosystémů. Riziko je o to závažnější, že právě těžbou intenzivně využívané oblasti šelfů zaujímají sice jen 10% plochy světových oceánů, ale žije v nich odhadem 90% mořských organismů! Již pouhé zakalení vody jinak inertním bahnem vede k poklesu prosvětlení vody a tím poklesu produkce fytoplanktonu - základu života v oceánech a producenta dle různých odhadů cca 40 - 70% kyslíku na naší planetě. Zničení fytoplanktonu by vedlo k tzv. "kyslíkové smrti" na celé Zemi.
20
Vedle těžby nerostných surovin v šelfových mořích má stejně negativní vliv na mořskou flóru a faunu znečištěná voda poblíž ústí řek do moře. Česká republika je menší částí dovozu ropy a zemního plynu odkázána na zdroje v oblasti Perského zálivu a Severního moře. Proto má určitý díl morální odpovědnosti za ekologickou situaci v těchto těžebních lokalitách. Na preventivních a sanačních opatřeních se fakticky podílí prostřednictvím ceny placené za nakoupené suroviny nebo produkty z těchto surovin vyrobených. Rovněž tak angažovaností ČR v orgánech OSN, EU, OECD a dalších mezinárodních organizací je zainteresována na ochraně moří a oceánů. Rostoucí počet obyvatel Země spolu s růstem spotřeby na obyvatele dosud neustále zvyšuje nároky na čerpání všech přírodních zdrojů i přes rostoucí využívání druhotných surovin. Tento trend je příznačný i pro exploataci těžby nerostných surovin na pevnině, což spolu s absolutním růstem spotřeby energie získávané převážně z fosilních paliv (uhlí, ropy a zemního plynu) má za následek rozsáhlé poškozování všech složek životního prostředí odpadními, často toxickými látkami. Nejzávažnější se jeví znečištění atmosféry skleníkovými plyny, fluorovanými a chlórovanými uhlovodíky, které mají za následek globální změny klimatu a poškozování ozónové vrstvy Země. Roční těžba minerálních surovin je v současnosti odhadována na 100 miliard tun. Dalších několik desítek miliard tun materiálu je přemísťováno v souvislosti s těžbou (nadložní vrstvy, hlušina) a vyvolanými stavebně-technickými pracemi. Antropogenní zásahy do pedosféry a svrchní části zemské kůry - litosféry, jejího znečištění a změn vodního režimu nabývají takového rozsahu, že přirozené procesy regenerace hydrosféry a biosféry v těžebních lokalitách či jejich okolí selhávají. Vědecky podložené rozhodování v oblasti ekonomické a politické se tak stává nezbytností. Ošetření problematiky ochrany životního prostředí včetně rizik spojených s těžbou minerálních surovin účinnou legislativou je v ekonomicky rozvinutých zemích samozřejmostí. V ČR je toto řešeno především Horním zákonem, Zákonem o půdě a Zákonem o ochraně vod. Negativní vlivy na životní prostředí závisí především na způsobu těžby. 2.6.1 Podzemní - podpovrchová těžba Na území České republiky je podzemní těžbou dobýváno hlavně černé a hnědé uhlí, fluorit, baryt a uranové rudy. Těžba ostatních rud kovů (cínu, wolframu, železa, mědi, zinku, olova, stříbra) je nízká nebo je v útlumu. Mezi podzemní těžby je rovněž řazena těžba ropy, zemního plynu, podzemní vody a kyselé loužení uranových rud, které již není provozováno. Podzemní těžba zpravidla nezpůsobuje tak rozsáhlé poškození krajiny jako těžba povrchová - lomová. Na výsledný stav má rozhodující vliv technologie těžby (způsob stěnový nebo komorový), dále síla, geologická struktura a stabilita nadložních vrstev hornin. Významně se také může projevit nutnost intenzivního odvodňování ložisek nerostů. Během těžby ložiska a postupu porubní fronty se mění tlakové, smykové a střihové napětí ve vrstvách hornin tvořících stropy štol. Tyto se prohýbají nebo při překročení meze pevnosti praskají a postupně zavalují vyrubaný prostor. Tak vzniká pásmo závalu. Nakypřené horniny závalu se postupně sedají a směrem k povrchu způsobují prohýbání nebo popraskání nadložních vrstev, až jejich pokles - vzniká pásmo zálomu. Je-li těžená sloj mělko pod povrchem (do 400 m), sahá pásmo zálomu až na povrch, kde se projeví nepravidelnou poklesovou kotlinou s trhlinami, zlomy, závrty a pod. Těžba z větších hloubek (zpravidla nad 400 m) se na povrchu projeví poklesovou kotlinou pravidelného tvaru. Klesání povrchu nad poddolovaným územím má tři fáze:
21
-
počáteční klesání, kdy se na povrchu objeví první projevy propadání (zpravidla do 6 měsíců). intenzivní klesání, kdy pokles dosahuje cca 75% celkové hodnoty. Bývá náhlé a rychlé, vede k destrukci inženýrských sítí a objektů na povrchu. doznívání klesání, kdy se postupně poklesové území stabilizuje.
Celý cyklus klesání trvá zhruba 5 let závisle na hloubce uložení těžené sloje a geologické stavbě nadloží. Poklesy jsou největší u nadloží tvořeného méně soudržnými horninami sedimentárního původu (zpravidla nad uhelnými slojemi). Naopak menší, či žádné poklesy se neobjeví např. při těžbě slojí rud uložených v povrchových nebo podpovrchových vyvřelinách. 2.6.2
Povrchová těžba
Povrchová těžba realizovaná v jámových nebo stěnových lomech nabývá v poslední době stále většího významu. Důvodem je vyšší podíl vytěžitelné minerální suroviny z ložiska, který většinou přesahuje 90%. Navíc lomová těžba umožňuje souběžnou těžbu i několika minerálů současně uložených ve vrstvách nad sebou. Lomová těžba např. hnědého uhlí je v současnosti efektivní v případech, kdy poměr síly nadložní vrstvy k síle těžené sloje je kolem 5 : 1. Hloubka lomů se pohybuje nejčastěji do 300 m. Těžba cenově dražších nerostů je efektivní i v mnohem hlubších povrchových lomech např. 500 až 800 metrů pro diamanty (Rusko - Jakutsko, JAR) a měděnou rudu (USA - Utah). Lomová těžba vyvolává značné negativní vlivy na životní prostředí. Tyto vlivy jsou u lomové těžby výraznější, než je tomu u hlubinné těžby. Dále jsou uvedeny hlavní vlivy na složky životního prostředí. Biosféra Biosféra je účinky povrchové těžby narušena přímou destrukcí v celém dobývacím prostoru a na plochách vnějších výsypek odstraněním všech forem vyšších rostlin a živočichů, kteří nejsou schopni z pásma zasaženého těžbou uniknout. Skrývkou půdního profilu dochází rovněž k destrukci mikroflóry a mikrofauny. Nepřímé účinky na biosféru se dotýkají okolí těžební lokality. Jsou důsledkem působení imisí plynných a tuhých škodlivin vznikajících během těžby. Pedosféra Pedosféra je povrchovou těžbou zcela rozrušena. I přes skrývku úrodné vrstvy půdy, její oddělené skládkování po část nebo celou dobu těžby a opětné využití pro lesnické či zemědělské rekultivace, se její kvalita zhoršuje. Především je narušen vodní režim, obsah vzduchu a mikrobiologické složení. Obnovení původní úrodnosti je dlouhodobým procesem vyžadujícím další vklady - změny vegetačního krytu, organická a minerální hnojiva, úpravu vodního režimu melioracemi a pod., což je součástí rekultivačních prací. Litosféra Povrchová těžba zvýrazňuje nebo zcela mění reliéf litosféry, způsobuje podstatné změny horninového prostředí. Náleží k nejvýraznějším antropogenním zásahům do krajiny tvorbou konvexních (vnější a vnitřní výsypky), rovinných (úrovňové sypání nebo plavené výsypky) a konkávních (jámy opuštěných lomů, propadliny) forem reliéfu. Konečná podoba krajiny se utváří několik let až desítek let nejen vlastními rekultivačními zásahy, ale také
22
sedáním výsypek, propadáním hlubinných důlních děl, sesuvy svahů výsypek a lomů, vodní erozí aj. Hydrosféra Hydrosféra je výrazně postižena jak hlubinnou, tak povrchovou těžbou nerostných surovin. Těžba způsobuje negativní změny kvantitativních charakteristik hydrosféry narušení vodního režimu: - každé snížení hladiny spodní vody, jako důsledek odvodňování dobývacích prostorů, způsobuje pokles vydatnosti až ztráty zdrojů užitkové a pitné vody, vysušování okolí spolu se znehodnocováním ekotopu během těžební činnosti. - změnou horninového prostředí, pórovitosti hornin při postupném sedání poddolovaných nebo nově uložených vrstev skrývkových materiálů po ukončení těžby a rekultivaci se postupně mění infiltrační schopnosti, hydrodynamika a hydraulika podzemních vod na rozsáhlých územích zasažených těžbou. Ustálení vodního režimu včetně hladiny podzemní vody a tím i vlhkosti půdního horizontu je dlouhodobým procesem. Kvalitativní charakteristiky povrchové a podzemní vody jsou odčerpávanými báňskými vodami z důlních děl rovněž narušeny. Báňské vody mají zpravidla: -
-
výrazně zvýšenou mineralizaci, tj. vyšší obsah iontů Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, NO3-, CO32-, SO42-, PO43- aj. včetně iontů těžkých kovů (např. Fe, Cu, Ni, Pb, radioaktivních prvků), které se i v případě jejich čištění neutralizací a srážením zpravidla pomocí Ca(OH)2, oxidací mikrobiologickou nebo ozonem, čištěním reverzní osmózou, ionexy, elektrodialýzou aj. metodami se mohou v omezeném množství dostávat do okolního prostředí. vyšší podíl suspendovaných částic z těžených nebo skrývaných hornin. mimořádně nízký obsah kyslíku a organických látek. zvýšenou kyselost - pH bývá v rozmezí 2,0 - 4,5 jako důsledek oxidace pyritu a železnatých iontů při kontaktu s atmosférickým kyslíkem: FeS2 + 2 H2O + 7 O2
2 FeSO4 + 2 H2SO4
FeSO4 + 2 O2 + 2 H2SO4 2 Fe2(SO4)3 + 2 H2O Fe2(SO4)3 + 6 H2O 2 Fe(OH)3 + 3 H2SO4 FeS2 + 14
Fe3+ + H2O 15 Fe2+
+ 2 SO42- + 16 H+
Atmosféra Na kvalitu atmosféry během těžby působí emise plynů, par, aerosolů a prachu uvolňujících se z těžených a přepravovaných minerálů, případně zápar v uhelných slojích, emisí výfukových plynů z dozérů a dopravních prostředků, emisí zplodin výbušnin, jimiž jsou rozpojovány těžené horniny. Uvedené emise se závisle na povětrnostní situaci, chemické stálosti v atmosféře a disperzitě tuhých částic šíří do okolí těžební lokality často do vzdáleností desítek až stovek kilometrů!
23
Změna reliéfu krajiny po ukončení těžby, její nadmořské výšky, povrchových hornin, charakteru rekultivace (zemědělská, lesnická, vodohospodářská) a změny vegetačního krytu proti původnímu stavu působí mikro až mezoklimatické změny v území zasaženém povrchovou těžbou. Je takto ovlivněna vlhkost, teplota a proudění vzduchu v dané lokalitě a jejím okolí. 2.6.3 Další vlivy těžby na přírodní prostředí Trhací práce - odstřel hornin během těžby - trhací práce - vyvolávají vedle žádaného rozrušení těžených hornin vznik různých vln napětí šířících se horninovým prostředím do okolí dolu. Přenášejí až 60% původní energie výbuchu ve formě objemových, povrchových a seismických vln na velké vzdálenosti, často až desítek kilometrů. Při povrchové těžbě, hlavně nerostných surovin pro stavebnictví, jsou nejzávažnější velkoplošné clonové a komorové odstřely. Vyvolávají poškození budov, sesuvy těžbou nebo vodní erozí narušených svahů a změny vodního režimu narušením původní soudržnosti hornin. Účinky seismických vln jsou vyjadřovány rychlostí kmitů ve třech na sobě kolmých rovinách - ČSN připouští rychlost kmitů 1 cm.s-1 a toleruje hodnoty do 3 cm.s-1. Hlavním parametrem účinnosti trhacích prací, t.j. rozpojení hornin, je spotřeba trhavin. Tu lze významně snížit tzv. milisekundovým odstřelem. Při něm je odpálení několika náloží mezi sebou zpožděno dobou roznětu o několik milisekund. Energie výbuchu je tak uvolněna postupně s vyšším efektem vůči rozpojení hornin. Negativní účinky seismických vln na okolí jsou proto nižší. V okamžiku výbuchu vzniká vzdušná tlaková vlna. Do okolí se šíří zpočátku jako vlna rázová, jejíž rychlost přesahuje rychlost zvuku. Až ve větší vzdálenosti od místa výbuchu její rychlost klesne na rychlost šíření zvuku v daném prostředí a stává se vlnou akustickou. Účinky tlakové vlny ovlivňuje velikost odpálené nálože a způsob jejího umístění, reliéf terénu kolem místa trhacích prací, vzdálenost od místa výbuchu a atmosférické podmínky. Pokud v čele vzdušné rázové vlny je tlak 0,03 - 0,3 MPa, dochází k poškození vnitřních orgánů člověka a živočichů, je ohrožen jejich život. Takováto tlaková vlna boří objekty. Při tlaku 0,02 MPa praskají ušní bubínky a je narušováno zdivo, při tlaku 2 - 3 kPa praská např. omítka. Vzdušná tlaková vlna vyvolává deformace, které v horizontálním směru nesmějí přesáhnout 3 mm.m-1 např. pro průmyslové a dopravní stavby. Pro např. historické objekty a plynová potrubí nesmí horizontální deformace přesáhnout hodnotu 1,5 mm.m-1. Tím jsou určeny min. vzdálenosti trhacích prací od příslušných objektů a velikosti použitelných náloží. Hluk - při těžbě nerostných surovin způsobují technologická těžní zařízení, drtící, třídící a dopravní stroje. Hladina hluku v lomových provozech se pohybuje kolem 80 - 90 dB. Hluk nad 96 dB způsobuje trvalé poškození lidského zdraví, již kolem 50 dB se projevuje u člověka sluchový útlum, zvýšená únava a pokles pracovní výkonnosti. Šíření hluku do okolí se omezuje ochrannými valy, stavbou protihlukových stěn, případně výsadbou keřů a stromů. Hromadění odpadů - hromadění odpadu z těžby nerostných surovin výrazně narušuje charakter přírodního prostředí. Výsypky skrývkových materiálů a odvaly (haldy hlušiny z hlubinných dolů) způsobují změny reliéfu, plošné a vertikální členitosti terénu. S výhodou jsou budovány tzv. vnitřní výsypky ve vydolovaném prostoru lomů i hlubinných dolů. Tím významně klesá zábor půdy v okolí těžebního závodu a zlevňují se návazné rekultivace. V počátku těžby se důlní provoz včetně úpravny neobejde bez vnějších výsypek pro uložení materiálu nadložních vrstev a skládek odpadů z úpraven mimo prostor lomu.
24
Výsypky, odvaly, skládky odpadů a kalová pole z důlních provozů, úpraven minerálních surovin, škváry a popílku z elektráren, tepláren a výtopen jsou vždy výrazným devastujícím prvkem v krajině. I přes pokles těžby po r. 1990 se v ČR ukládá na výsypky kolem 500 mil. t odpadů za rok. 2.6.4
Omezení negativních vlivů těžby na životní prostředí
Povinnost ochrany životního prostředí je stanovena Horním zákonem a zákony vztahujícími se k ochraně složek životního prostředí. Ochrana životního a přírodního prostředí je zákonnými normami předepsána při všech činnostech souvisejících s využíváním nerostného bohatství: -
během geologického průzkumu, při těžbě ložiska, rekultivacích po ukončení těžby.
Geologický průzkum Geologický průzkum a vrtné sondy je třeba lokalizovat tak, aby neohrožovaly vydatnost a kvalitu zdrojů vody, kořeny vzrostlých stromů, stabilitu svahů, objektů a pod. Je třeba eliminovat případné škody vznikající při přesunu vozidel a vrtných souprav ve volném terému - stopy po kolech nebo pásech se mohou stát zárodkem erozních rýh, mění porozitu půdy, vedou až k narušení vodního režimu. Těžba
Negativní účinky vyvolané vlastní těžební činností byly podrobně popsány v předchozím textu včetně možností jejich omezení. Rekultivační práce Rekultivační práce probíhají souběžně s těžbou a pak po jejím ukončení - v první etapě jsou realizovány báňsko-technické rekultivace, kdy jsou provedeny všechny terénní úpravy vedoucí ke konečnému zformování reliéfu rekultivovaného území včetně melioračních úprav drenáží, struh, koryt vodních toků a pod. Na ně navazuje fáze biotechnické rekultivace formou rekultivace: - zemědělské, která předpokládá obnovení některé z forem zemědělské výroby na rekultivovaném území, - vodohospodářské, kdy je část důlních děl po úpravě svahů a dna zatopena povrchovou nebo podzemní vodou, - lesnické, kdy jsou na rekultivovaných plochách postupně vysazovány lesní porosty. Některé z rekultivovaných ploch po těžbě nerostných surovin nebo výsypky lomů byly upraveny tak, že jsou využívány pro rekreační účely - vodní sporty, jezdectví, motorismus, lesoparky pro příměstskou rekreaci a pod. Nejednou je součástí rekultivačních prací přechodné využití prostor lomů pro stavby skládek komunálního nebo průmyslového odpadu, elektrárenských popílků a škváry. Vyčerpaná ložiska ropy nebo zemního plynu bývají po příslušných technických úpravách využívána jako podzemní zásobníky plynu. Umožňují potom vyrovnávání sezónních nebo špičkových odběrů z rozvodné sítě zemního plynu bez výraznějšího omezování spotřeby.
25
2.7
Úprava tuhých nerostných surovin
Cílem úpravárenských procesů tuhých nerostných surovin je zlepšení jejich kvalitativních znaků významných pro zpracovatele. Jedná se hlavně o: - absolutní velikost částic a zastoupení jednotlivých frakcí v tuhé surovině, - maximální koncentraci žádané složky v surovině, - minimální obsah znečišťujících látek nebo látek komplikujících zpracovatelnost suroviny. Úpravárenské procesy používají pro zajištění výše uvedených kvalitativních znaků nerostných surovin následující postupy: 2.7.1
Fyzikálně mechanické postupy - rozpojování
Těžené tuhé nerostné suroviny zpravidla nemají vhodnou zrnitost pro dopravu ani další zpracování. Rozmělnění vede ke zvýšení měrného povrchu materiálu. To je důležité např. pro urychlení rozpouštění ve vodě, roztocích minerálních kyselin nebo hydroxidů. Z tohoto důvodu jsou často drceny ještě před dopravou do úpravárenských linek. V úpravárenských linkách je zrnitost materiálu dále upravována drcením a mletím na požadovanou velikost částic. Hrubší a jemnější frakce jsou 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 stanovuje minimální procento obsahu žádané frakce a 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 rozprachem, kvalitu pracovního prostředí, volbu dopravních, manipulačních a technologických systémů v celé zpracovatelské lince. Rozpojování (drcení a mletí) 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 ---W2
=
( s1 – 1 ) -------------( s2 - 1 )
,
26
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: D s = -------d 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 - poměru průměrů částic před a po rozdrcení materiálu - jsou rozlišovány stroje na: -
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 µm.
Přibližně 95 % energie se během rozmělňování přemění na teplo, pouze malá část je spotřebovávána na rozpojení částic materiálů, rozrušení drůz krystalů. Drtící a mlecí zařízení jsou vždy velkými spotřebiči energie, příslušné výrobní technologie mají vždy vysoké výrobní náklady. Rozmělnňování 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. Hrubé drcení Pro hrubé drcení minerálů je často používán čelisťový drtič. Drcený materiál je rozmělňován tlakem přenášeným na materiál dvěma pracovními deskami - čelistmi. Jedna čelist je pevná, druhá pohyblivá (viz. obr.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. č. 2.1. 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 a jsou odsávány pro snížení prašnosti v jejich okolí. Drtiče a mlýny jsou zpravidla uloženy
27
pružně (na ocelových pružinách nebo silentblocích), aby se vibrace nepřenášely do základu nebo konstrukcí objektů. Umístěny jsou na betonových základech v uzavřených objektech. Tím je okolí chráněno před hlukem.
1
2
3
4
5 Obr. č. 2.1:
Schéma čelisťového drtiče 1 – vstup materiálu, 2 – pevná čelist, 3 – pohyblivá čelist, 4 – kloub, 5 - štěrbina s výstupem drceného materiálu
Kuželový drtič - rozmělňuje materiál tlakem a roztíráním mezi excentricky umístěným válcovým nebo kuželovým rotorem v kónické pracovní komoře (viz obr. 2). Výkony kuželových drtičů se pohybují řádově ve stovkách tun rozdrceného materiálu za hodinu. 1
2
3
4 Obr. č. 2.2:
Schéma kuželového drtiče 1 – vstup materiálu, 2 – pevná kuželovitá mlecí komora, 3 – rotor, 4 – štěrbina s výstupem drceného materiálu
Střední a drobné drcení 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. 3). 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
28
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. 1 6
6 2
4 Obr. č. 2.3:
3 2
2
4
Schéma válcového drtiče 1 – vstup materiálu, 2 – 1. pevně uchycený válec , 3 – 2. válec přitlačovaný pružinami, 4 – stěrače, 5 - štěrbina s výstupem drceného materiálu, 6 - směr otáčení válců
Nárazové drtiče a mlýny 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), 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
2
3
4 Obr. č. 2.4:
Schéma kladivového drtiče 1 – vstup materiálu, 2 – rotor s kladivy na kloubech, 3 – rošt nebo síto, 4 – výstup drceného materiálu
29
Kolíkové mlýny (desintegrátory) – rozpojují materiál shodným mechanismem jako mlýny kladivové. Mlecím orgánem jsou dva protiběžné rotory opatřené pevně uchycenými ocelovými kolíky, které údery rozmělňují mletý materiál (viz. obr. 5).
1
2
2
5
5
3 4 Obr. č. 2.5:
Schéma kolíkového drtiče 1 – vstup materiálu, 2 – rotory s kolíky, 3 – rošt nebo síto, 4 – výstup drceného materiálu, 5 – hřídele rotorů s kolíky
Zrnitost vystupujícího materiálu je určena rozměry štěrbin roštů nebo sít na výstupu, případně intenzitou proudění vzduchu v mlecí komoře, který vynáší pouze jemnější podíly rozemletého materiálu. 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. 6 - 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. č. 2.6:
Schéma kolového mlýnu 1 – vstup materiálu, 2 – hřídel pohonu, 3 – mlecí kola, 4 – mlecí mísa, 5 – odsávání - pneumatický výstup mletého materiálu 30
Jemné drcení a mletí Pro jemné drcení a mletí je používána celá řada různých konstrukcí drtičů a mlýnů. V principu bývá materiál rozpojován převážně roztíráním, méně často údery. Mletí bývá uspořádáno jako suché, t.j. v proudu vzduchu, nebo mokré, zpravidla ve vodním prostředí. Užité tekutiny zajišťují vedle snížení prašnosti i 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. 7.
1 4
2
3 Obr. č. 2.7:
3
Schéma kulového mlýnu 1 – vstup materiálu, 2 – válcová mlecí komora s náplní ocelových koulí, 3 – kladky a rolny s pohonem, na nichž se komora odvaluje 4 – odsávání pneumatický výstup mletého materiálu
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 fakticky ustane: nK = 0,707 (DB)-0,5 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). 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
31
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 zajištěno třídění již rozemletého materiálu. Cílem všech moderních konstrukcí je snížit měrnou spotřebu energie na rozmělňování materiálu, prodloužit životnost nejzatíženějších konstrukčních dílů a provozní spolehlivost mlecích zařízení. Tím jsou minimalizovány provozní náklady.
2.7.2
Třídění a rozdružování materiálu
Naprostá většina tuhých přírodních surovin, ale i surovin z obnovitelných zdrojů, je získávána přímo z přírodního prostředí těžbou nebo po těžbě, drcení, mletí a případné další úpravě ve formě polydisperzních směsí. Jako příklad lze uvést štěrkopísky a kaolin nebo uhlí, kamenivo a vápenec. Zastoupení částic různé velikosti ve výchozích surovinách je ale pro řadu zpracovatelských technologií nevýhodné. 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 a 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 žádoucí 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 nebo cementů různých typů, které při konečném zpracování na maltu nebo beton procházejí hydratací dále spojenou 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 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. V praxi jsou používány následující základní metody třídění:
32
2.7.2.1 Ruční přebírka Je vhodná a ekonomická pouze pro rozdružování relativně malých množství materiálu, zpravidla drahého. 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, rozdružování odpadů apod. Ruční přebírka je často užívána jako koncová operace pro dotřídění zkoncentrovaného a předtříděného materiálu např. za úpravnickými linkami těžby polodrahokamů nebo drahokamů. Také je uplatňována po svozu druhotných surovin ze separovaného sběru odpadů nebo za třídícími linkami odpadových materiálů. Výjimečně je ruční přebírka používána i jako první stupeň třídění v případě separace spolehlivě rozeznatelných minerálů ve formě hrud nebo drůz krystalů o velikosti několika centimetrů silně rozptýlených (málo koncentrovaných) ve výchozí hornicky vytěžené rubanině. 2.7.2.2 Mechanické třídění 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. Jsou používány následující typy mechanických třídičů: 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. a) - 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 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. b) - bubnové sítové třídiče. Bubnové třídiče bývají používány méně často pro omezený výkon a účinnost třídění, někdy bývají součástí tzv. prvního stupně třídění (předtřídění) materiálu. Rotující buben třídiče je skloněn pod úhlem 5 - 10o a je umístěn na kladkách. Poháněn je přes převodovou skříň elektromotorem. Vlastní třídící buben je trubka vyrobená 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.
33
Jednotlivé odtříděné frakce jsou sváděny násypkami umístěnými pod třídícím bubnem do zásobníků nebo jsou dopravovány přímo k dalšímu zpracování.
1 2 3
3
3
4
5
Obr. č. 2.8
Třídící buben 1 – vstup tříděného materiálu, 2 – násypka, 3 – jednotlivá síta třídícího bubnu, 4 – výsypky nebo zásobníky vytříděného materiálu, 5 – výstupy jednotlivých frakcí
a) - sítové třidiče vibrační a třasadlové Tyto typy třidičů 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 třidičů 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 třidiči 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 třidiče. Ve skříni třidiče je umístěn jeden, dva nebo více rámů se síty nad sebou, síta s největšími oky jsou nahoře. Potom jsou rozeznávány jedno, dvou nebo vícesítové třidiče. Vibrace rámu se síty jsou vyvozovány mechanicky převodovou skříní s excentrem, mechanickými budiči s elektromotorem a excentricky umístěným setrvačníkem nebo elektromagnetickými budiči. Elektronicky řízenými otáčkami elektromotorů nebo elektronicky řízenou frekvencí a intenzitou vibrací elektromagnetů je měněn výkon třidiče. Periodickou změnou otáček nebo frekvence a intenzity vibrací je dosaženo samočistícího 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. Také jsou běžné třídiče, kde jsou vibrace vyvozeny excentrem pohybujícím celou skříní třidiče. Excentr je poháněn elektromotorem přes převodovou skříň. Samočistícího efektu je u sítových třidičů 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.
34
Tab. č. 2.2
Srovnávací tabulka sít
Metrická soustava (ČSN) počet velikost Počet ok oka ok na 1 cm (mm) na 1,0 délky cm2 130 0,04 16900 100 0,06 10000 80 0,075 6400 70 0,088 4900 60 0,102 3600 50 0,12 2500 40 0,15 1600 30 0,2 900 24 0,25 576 20 0,3 400 16 0,385 256 12 0,49 144 11 0,54 121 10 0,6 100 8 0,75 64 6 1,02 36 5 1,2 25 4 1,5 16
Číslo síta
130 100 80 70 60 50 40 30 24 20 16 12 11 10 8 6 5 4
Anglosaská soustava Číslo velikost síta oka (mm) 325 250 200 170 150 115 100 65 60 48 35 32 0 28 20 16 12 10 8 5
0,044 0,063 0,074 0,088 0,104 0,124 0,147 0,208 0,246 0,295 0,417 0,495 0 0,589 0,883 0,991 1,397 1,651 2,362 3,962
1 2
3
Obr. č. 2.9
Schéma dvousítového vibračního třídiče 1 – vstup tříděného materiálu, 2 – skříň vibračního třídiče se dvěma síty, 3 – výsypky vytříděného materiálu (zleva podíl podsítný, produkční a nadsítný)
35
d) - elektromagnetické třídiče. Tyto třídiče slouží k oddělení feromagnetických materiálů a jejich slitin 7 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. 1
3
2
4
5 Obr. č. 2.10
6
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
2.7.2.3 Pneumatické třídění Principem pneumatického třídění je unášení rozemletého materiálu 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: a) - 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. 7
Feromagnetické vlastnosti vykazují prvky Fe, Co, Ni a Sm – samarium ze skupiny lanthanoidů.
36
b) - 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 odnášeny do mechanických odlučovačů prachu. Princip funkce je obdobou cyklónových odlučovačů prachu (viz. dále). 2.7.2.4 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: a) - 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 nugety nebo zlatinky). b) - 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 třidiče nebo rýžování.
37
Jedná se o konstrukčně jednoduché, účinné, provozně spolehlivé a výkonné zařízení často v úpravnických linkách užívané. 1 2
3 4 Obr. č. 2.11
Schéma plavícího žlabu 1 – přítok suspenze, 2 – plavící žlab s přepážkami a sedimentačními komorami, 3 – výpusti sedimentů, 4 – odtok rmutu
c) - 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. 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 třidičů. 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. 2 1
1
2
3
3
Obr. č. 2.12 Schéma hydrocyklónu 1 – přítok suspenze, 2 – výtok rmutu, 3 – regulovaná výpust kalu
38
2.8
Flotace (pěnová)
Během úprav minerálních surovin často dříve uvedené operace nepostačují nebo jsou zcela neúčinné zejména pro zvýšení koncentrace žádaných minerálů v surovině určené k průmyslovému zpracování. Potom je nutné úpravnický proces rozšířit např. o flotaci. Principem flotace (vzplavování) jsou rozdílné smáčivosti povrchu minerálů vodou (flotovatelnosti). Zrnka jaloviny (např. silikátů a alumosilikátů tvořících jíly) jsou vodou smáčena lépe než např. zrnka rud nebo uhlí. Rozdíly ve smáčivosti lze zvýraznit přídavkem flotačních činidel - povrchově aktivních látek, které smáčí buď jen jeden minerál (selektivní flotace) nebo několik minerálů současně (skupinová - kolektivní flotace). Flotační přísady nepřilnou k vodou dobře smáčitelné jalovině. Tyto účinky vykazuje řada organických sloučenin. V praxi se uplatnily závisle na dostupnosti, cenách a neškodnosti v dalším nakládání s jalovinou a upravovanou surovinou minerální i rostlinné oleje (např. borovicový olej - olejová flotace užívající sběrná flotační činidla), soli nebo aminy karboxilových kyselin odvozené od kyseliny stearové, olejové aj., které za přítomnosti vzduchu snadno tvoří pěnu (pěnová flotace užívající zpěňovací flotační činidla). Např. olej smáčí a obalí jen zrnka rudy, která vyplavou na hladinu, vodou smáčená zrnka jaloviny zůstávají ve vodné suspenzi. 1 3 2 4 Obr. č. 2.13
Schéma flotačního žlabu 1 – vstup suspenze s flotační přísadou, 2 – přívod stlačeného vzduchu, 3 – odvod koncentrátu v pěně, 4 – odvod zbytkového kalu (rmutu)
Flotace je prováděna ve flotátoru (flotačním žlabu), což je komora obdélníkového půdorysu o délce až několika desítek metrů. Flotace je prováděna v jednom i více stupních zařazených za sebou. Flotační čas, t.j. doba zdržení materiálu ve flotátoru, je od cca 5 minut (pro uhlí) až do 1 hodiny (u některých rud). Z jedné strany je do flotátoru přiváděna voda a rozemletá rubanina nebo přímo její vodní suspenze a flotační činidlo. Důležitá je velikost zrn minerálů - zpravidla je mezi 0,1 - 0,4 mm (max. 1,0 mm u minerálů s nízkou hustotou). Mechanické flotátory jsou intenzivně promíchávány míchadly, kombinované flotátory (pneumechanické) mají k míchadlu navíc zaváděn vzduch. Pneumatické flotátory jsou promíchávány pouze stlačeným vzduchem zaváděným ke dnu tryskami. Vodou dobře smáčitelné minerály zůstávají suspendovány v objemu flotačního žlabu. Naopak špatně vodou smáčitelné minerály jsou flotačními činidly se vzduchovými bublinkami vynášeny ve formě pěny k hladině flotátoru. Odtud je pěna nepřetržitě shrnována k okraji žlabu, odváděna k odvodnění (sušení) a dalšímu zpracování. Tímto způsoben se jedna skupina minerálů zkoncentruje v pěně u hladiny a jiná skupina minerálů v kalu v objemu flotačního žlabu. Nezpracovatelný kal je čerpán na kalové pole, kde jsou nerozpustné minerály odděleny sedimentací, voda se recirkuluje zpět do úpravnického procesu. Pokud jsou v kalu využitelné
39
minerály, je odvodněn a dále zpracováván samostatně. Z popisu je patrné, že koncentrát žádaných minerálů lze získat z flotačního koncentrátu - pěny nebo obou proudů vystupujících z flotačního žlabu. Flotací jsou velmi často upravovány např. rudy kovů (pyrit, chalkopyrit, nefelin, rutil, ylmenit), apatity a fosfority. 2.9
Loužení
Loužením je zpravidla rozuměno částečné rozpouštění směsi minerálů nebo jejich složek ve vodě nebo vodných roztocích minerálních kyselin (např. kyselině sírové) nebo vodných roztocích hydroxidů (např. hydroxidu sodného) v kaskádě několika loužících reaktorů s intenzivním mícháním 8. Cílem loužení je rozpustit nebo chemickou reakcí převést žádané složky minerálů do koncentrovaného roztoku, z něhož jsou tyto látky získávány srážením nebo krystalizací. Loužením jsou žádané látky – sloučeniny – odděleny od látek v daném prostředí nerozpustných, znečišťujících složek. Žádané složky jsou tak zkoncentrovány. Kapalný koncentrát - roztok - je dále zpracováván krystalizací nebo srážením, případně celým sledem chemických reakcí. Vzniklé suspenze musí zbaveny kapalné fáze filtrací nebo odstředěním, krystaly jsou následně sušeny. Výsledným produktem je krystalický koncentrát žádaného minerálu nebo sloučeniny, který je vhodný k dalšímu průmyslovému zpracování. Operace loužení je strojně-technologicky komplikovaná - vyžaduje jemně rozemletou surovinu (velikost zrna zpravidla pod 0,1 mm), což je energeticky náročné, přesné dávkování komponent do loužících nebo rozkladných reaktorů, přesné řízení teploty procesu, korozně odolnou aparaturu a někdy zařízení tlakové. Výroba krystalického koncentrátu je náročná na řadu dalších zařízení a aparátů, je energeticky náročná. Z těchto důvodů jsou měrné náklady na výrobu koncetrátu loužením vysoké. Průmyslové využití loužení je technologicky a ekonomicky oprávněné v těch případech, kde je jiná cesta získání koncentrátu neschůdná, a kdy velký objem výroby nebo vysoká cena koncentrátu pokryje investiční i provozní náklady. Loužením ve vodě jsou vyráběny hlavně koncentráty solí alkalických aj. kovů (např. NaCl, KCl, NaF, NaJ, NaBr, MgCl2), loužením v hydroxidu sodném hydroxid hlinitý a loužením v kyselině sírové soli uranu nezbytné pro výrobu uranového koncentrátu. 2.10
Sušení a kalcinace
Naprostá většina přírodních surovin je získávána těžbou nebo po úpravě vlhká. Sušení je používáno pro odstranění tzv. volné vody - vlhkosti, která není chemicky vázána v přítomných sloučeninách ve formě krystalické vody. Vlastní proces sušení, používané metody a zařízení bude podrobně popsáno v dalších kapitolách. Sušení v průmyslových podmínkách je prováděno uměle převážně v sušárnách vyhřívaných horkým vzduchem nebo spalinami paliv zpravidla při teplotách kolem 100 oC. Nadbytečná voda je z materiálu odpařena a ve formě vodních par je unášena proudem sušícího plynu, zpravidla vzduchu nebo spalin fosilních paliv. O teplotě sušení rozhoduje požadovaná Při těžbě zlata je průmyslově užíváno tzv. kyanidové loužení o jehož využití bylo uvažováno i v ČR. Jemně rozemletá hornina je loužena v provzdušňovaném roztoku kyanidu sodného ve vodě za vzniku komplexní sloučeniny dikyanozlatnanu sodného. Přídavkem práškovitého zinku je vyloučeno z roztoku zlato, které je dále rafinováno, a pomocí NaOH je zregenerován NaCN. 8
40
vlhkost materiálu a jeho teplotní stabilita. Tímto způsobem sušení je zajištěna vysoká rychlost procesu a dodržení optimální vlhkosti sušeného materiálu. Přirozené - volné sušení materiálu za přirozeného proudění atmosférického vzduchu, případně za přímého slunečního svitu, je pomalejší, méně výkonné a pro průmyslovou praxi omezeně použitelné i když je nejlevnější. Je vhodné prakticky pouze pro sušení zemědělských nebo potravinářských produktů, dřeva, keramických a cihlářských výrobků. Méně často, spíše v poloprovozních či laboratorních podmínkách, lze sušení realizovat v exikátorech s využitím adsorpce vlhkosti hygroskopickou látkou (CaCl2, CaO, silikagelem, NaOH aj.) nebo vymražením, sublimací, extrakcí a vysolováním. Pokud má být z materiálu odstraněna voda vázaná ve formě krystalové vody, je materiál podroben kalcinaci (žíhání), tj. tepelnému zpracování. V některých případech dochází během kalcinace také k rozkladu sloučenin za současného odštěpení vody. Během kalcinace je přeměněn např. Al(OH)3 na Al2O3 při úpravě bauxitu nebo dochází k rozkladu dalších jednoduchých sloučenin (např. uhličitanů při úpravě fosforitů). Při kalcinaci proběhne zároveň oxidace eventuálně přítomných organických látek až na oxid uhličitý a vodu. Vhodným řízením teploty a přebytku kyslíku nevzniká grafitický uhlík ve formě sazí, což je další technologická výhoda. Kalcinace je realizována v kalcinátorech žíhacích pecích (komorových, rotačních nebo pásových), věžových výměnících aj. aparátech. Kalcinátory jsou vyhřívány zpravidla spalinami fosilních paliv (zemního plynu nebo topných olejů), v laboratorních podmínkách elektrickými topnými spirálami. Teplota během kalcinace dosahuje cca 150 - 1000 oC, opět závisle na požadovaném chemickém složení a kvalitě produktu. 2.11
Hrudkování, briketování, tabletace a granulace
Z úpravnických, ale i výrobních procesů často vystupují materiály práškovité, ve formě jemných krystalů. Tyto materiály při dopravě a zpracování práší, snadno absorbují vlhkost, mohou se výrazně měnit jejich fyzikálně-mechanické vlastnosti (sypný úhel, abrazivnost, lepivost, tvorba krust, nepravidelných hrud až bloků a pod.). Tím je omezena až vyloučena jejich zpracovatelnost, je snížena provozuschopnost technologického zařízení a ohroženo pracovní i životní prostředí. Proto jsou některé koncentráty minerálních surovin, ale i meziprodukty a výrobky upravovány hrudkováním (spékáním), briketováním, tabletací nebo granulací. Cílem těchto operací je zvětšit zrnitost - granulometrii materiálu. Velikost zrna je volena dle dalšího zpracování a k odstranění dříve uvedených obtíží. Hrudkování (spékání), briketace, tabletace a granulace jsou realizovány několika mechanismy a postupy: a) - vlhčením materiálu Vlhčení využívá kapilárních sil, povrchového napětí vody nebo částečné rozpustnosti materiálu ke spojování výchozích zrn - krystalků. Pak je materiál briketován, granulován nebo tabletován a sušen. Vznikají částice o velikosti zpravidla do 100 mm při briketování, 10 - 50 mm při tabletaci a 1,0 - 5,0 mm při granulaci.
41
b) – přídavkem jiného inertního materiálu Obalením a spojením výchozích zrn inertním materiálem v hnětači s využitím adhezních sil je vyvoláno shlukování částic materiálu. Toho se dosahuje např. přísadou vápna. Materiál je pak v hrudkovací peci spékán při teplotě cca 500 - 800 oC do částic velikosti cca 10 - 100 mm. Obdobně je uhelný prach v hnětačích smíchán s přídavkem uhelných dehtů a z vyrobené směsi jsou v briketovacích lisech vyrobeny brikety o velikosti strany 50 - 150 mm. c) - roztavením materiálu a jeho granulací (viz. kap. Krystalizace) tavenina materiálu je rozstřikována bubnovou nebo talířovou odstředivkou, případně stabilními rozstřikovači, do prostoru granulační věže s protiproudem chladícího vzduchu. Částice během pádu tuhnou a ze dna věže jsou dopravovány k chlazení, třídění a dalšímu zpracování. Vznikající částice jsou pravidelné, kulovitého tvaru se sklovitě lesklým neporézním povrchem. - rozstřikem taveniny do nádoby s chlazeným minerálním olejem. Částice jsou pravidelné, kulovité, jejich povrch je i po odstředění oleje pokryt olejovým filmem. - nástřikem nebo odkapáváním taveniny na povrch chlazeného ocelového bubnu nebo pásu. Stíráním (seškrabováním) vzniklé krusty jsou získávány částice ploché, proměnné síly a nepravidelné, případně v podobě pecek (čoček), je-li tavenina dávkována pomalu po kapkách. - smíchání taveniny (nebo jen vlhkého materiálu) s prachovým podílem téhož materiálu vraceného z třídění – tzv. recyklová granulace. Je prováděna v granulátorech: - žlabových jedno nebo dvouvřetenových či šnekových, - bubnových, - talířových, - sferodizerech ( určitá kombinace bubnového granulátoru a sušárny). Jsou získávány pravidelné částice hrudkovité až kulovité. Částice granulátu vznikají v teoreticky dvěma mechanismy: - vzájemným spojování tuhých zrn krystalizující taveninou či vlhkým pastovitým materiálem, - krystalizací taveniny na povrchu již existujících zrn postupným nabalováním a tuhnutím taveniny na výchozích zrnech, obvykle v několika vrstvách. V reálných podmínkách vzniká granulát v podstatě oběma mechanismy současně. Jejich podíl na vzniku granulí je proměnný dle teplotních, vlhkostních, materiálových vlastností granulovaného materiálu, poměru taveniny a prachu i jiných podmínek. Pokud se vychází z tavenin, bývá povrch granulí méně porézní, hladký až sklovitě lesklý. V případě granulace za mokra jsou vzniklé granule nepravidelné, hrudkovité a porézní. d) - briketování a tabletování V briketovacím nebo tabletovacím lisu s pístem nebo mezi různě profilovanými válci briketovacího či tabletovacího stroje jsou částice materiálu spojovány účinkem tlaku a adhezních sil bez přídavku či s přísadou další látky, za sucha nebo po zvlhčení. Jsou tak vyrobeny brikety nebo tablety žádaného tvaru (hranolky, kuličky, ploché nebo podlouhlé válečky, polštářky, čočky aj.). Jejich povrch bývá závisle na pracovním tlaku, vlastnostech zpracovávaného materiálu a žádané kvalitě produktu porézní nebo neporézní, hladký a lesklý.
42
Kontrolní otázky 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
Co jsou to obnovitelné a neobnovitelné zdroje surovin? Jaká je přibližně odhadovaná životnost ložisek energetických surovin v ČR a ve světě? Co je a jaké podmínky musí splňovat druhotná surovina? Jak se místo výskytu - naleziště minerálu - stane ložiskem? Charakterizujte povrchovou a hlubinnou těžbu, které složky životního prostředí ovlivní? Které položky jsou zahrnuty do nákladů těžby? Co je rozuměno úpravárenskými procesy – vyjmenujte je! Jakých strojně-technologických zařízení je k úpravárenským postupům používáno? Vyjmenujte základní typy rozmělňovacích zařízení! Jakými účinky je v drtičích a mlýnech rozmělnění dosaženo? Vyjmenujte základní typy a principy třídičů! Co je rozuměno flotací?
43
3.0.
Doprava, skladování a balení materiálu
3.1.
Doprava
3.1.1
Základní terminologie dopravy
Obecně je doprava definována jako cílevědomé přemísťování nákladů, osob, energie a informací v prostoru. Představuje jednu z nejrozsáhlejších sfér činností a svým významem pro národní ekonomiky je rovnocenným partnerem výrobě průmyslové a zemědělské. Je nedílnou součástí aktivit člověka, s rozvojem civilizace a životní úrovně její význam stále vzrůstá. V užším slova smyslu je pod pojem „doprava“ zahrnována jen doprava osobní a nákladní. Z ekonomického hlediska má doprava nákladní větší význam, než doprava osobní. Je neodmyslitelnou částí všech ekonomických aktivit, výrobních procesů. Zajišťuje přísun fosilních a recentních surovin všech skupenství ke zpracování, energií a polotovarů do výroby, mezi výrobními operacemi, výrobků do skladů, odpadů ke zneškodnění, výrobků do distribuční a obchodní sítě až ke konečným zákazníkům – spotřebitelům. Doprava trvale zaměstnává 5 – 10 % ekonomicky aktivního obyvatelstva a tento podíl trvale narůstá. Nárůst je vyvolán prohlubováním specializace a koncentrací výrob do míst zdrojů surovin, energií a zdrojů pracovních sil, zvyšováním výkonů a automatizací výrobních jednotek v průmyslu, zhromadňováním výroby průmyslové i zemědělské – obecně s rozvojem ekonomických aktivit ve vybraných částech světa. Zvyšování výkonu výrobních jednotek vede k úspoře investičních a provozních nákladů. U velkokapacitních výroben v chemickém, hutním a ocelářském průmyslu nebo průmyslu stavebních hmot je obvyklý výkon nad 1000 t produktu/den. To nároky na výkony a provozní spolehlivost dopravy surovin, pomocných látek a obalů, technologickou dopravu meziproduktů a dopravu hlavních i vedlejších výrobků dále zvyšuje. V dopravních, skladovacích a manipulačních systémech je vázáno 10 – 20 % základních fondů, s nimiž disponují národní ekonomiky závisle na jejich vyspělosti. Největší hodnoty jsou vázány automobilovou dopravou, na druhém místě je doprava námořní. Doprava spotřebovává cca 25 % všech primárních zdrojů paliv, elektrické energie, mazacích olejů a tuků, 1/3 světové produkce kovů a cca 70 % výroby kaučuků pro výrobu pneumatik a dalších pryžových dílů dopravních prostředků. Zásadní obrat v dopravě nastal s průmyslovou revolucí v 1. polovině 19. století, kdy prudce vzrostly nároky na výkon dopravních prostředků a zařízení. Nejprve byla zavedena parní, později motorová a elektrická trakce pro pohon dopravních prostředků a strojů. Výkonnější hnací síly - trakce, které postupně nahradily tažná zvířata a lidskou práci, umožnily prudký růst přepravních výkonů. Parní trakce se nejprve uplatnila v lodní dopravě říční i námořní a později v dopravě železniční. Pro dopravu silniční byl její význam zanedbatelný, neboť byl rychle překlenut zavedením motorové trakce s využitím pístových spalovacích motorů zážehových čtyřtaktních nebo dvoutaktních a motorů vznětových, převážně čtyřtaktních tzv. atmosférických nebo s turbokompresorem. Elektrická trakce se úspěšně uplatnila dopravě železniční, kde v současnosti co do přepravních výkonů nákladní i osobní dopravy má rozhodující podíl. V železniční dopravě převažuje napájení stejnosměrným proudem, ale nejsou výjimkou železniční trati s napájením proudem střídavým. Elektrické pohony ve veřejné dopravě – tramvaje, trolejbusy a metro - jsou vázány na trolejové vedení nebo sběrnice umístěné podél trati. Napájecí napětí je řádu desítek 44
kilovolt. Elektrické akumulátorové pohony dopravních vozidel jsou používány téměř výhradně v uzavřených prostorách např. skladů nebo výroben, nemocnic, sanatorií apod. Rozhodující podíl má elektrická trakce v nákladní dopravě vnitropodnikové, meziobjektové a technologické (viz dále) a dopravě osob vysutými lanovkami sedačkovými nebo kabinovými, pozemními lanovkami, lyžařskými vleky, eskalátory, osobními a nákladními výtahy, pohyblivými chodníky. Komunikace – je termín, jímž se v užším smyslu rozumí kterékoliv dopravní cesty – trasy (např. silnice, dálnice, železnice, splavněné řeky) včetně jejich pevných příslušenství (nádraží vlaková a autobusová, hradla, přístavy, plavební komory a jezy, letiště s jejich základním vybavením atd.). Dopravní komunikační linka – označuje dopravní spojení uskutečňované konkrétním dopravním prostředkem (druhem spojení) mezi dvěma nebo více místy. Dopravní spojení může být jednosměrné nebo obousměrné, zpravidla pravidelné se stanoveným jízdním řádem a grafikonem na existující dopravní cestě - komunikaci (trase). Komunikační tah (dopravní tah) – je soubor paralelních dopravních linek probíhajících geograficky ve stejném směru. Příkladem komunikačního tahu jsou rozuměny železnice, silnice, dálnice a splavněné říční toky Vltavy a Labe na trase Praha – Ústí nad Labem Drážďany. Přepravní proud – zahrnuje úhrn veškeré přepravy uskutečněné na daném dopravním tahu, dopravní cestě nebo lince za určitou časovou jednotku (např. den, rok) . Hustota dopravní sítě – zejména silnic, železnic a splavněných řek, se v uplynulých 150-ti letech zásadně změnila. Dopravní obslužnost ve vyspělých zemích Evropy, Severní Ameriky a Japonska tak významně vzrostla a i v ekonomicky méně významných regionech světa dosahuje vysoké úrovně. Hustota dopravní sítě bývá vyjadřována v km.km-2 území státu. ČR náleží ke státům s nejhustší silniční a železniční dopravní sítí v Evropě a na světě. Je to dáno jak hustotou osídlení (cca 150 obyvatel.km-2) tak i rozptýlením osídlení v krajině – počet obcí na počet obyvatel státu je v Evropě srovnatelný jen s Francií. 3.1.2
Typy dopravy
Nákladní doprava: - ve sféře oběhu –
doprava ve sféře oběhu zahrnuje přepravu zboží, tj. hotových výrobků, od výrobce do distribučních skladů a dále do obchodní sítě směrem ke spotřebiteli. - ve sféře výroby – doprava ve sféře výroby zahrnuje přepravu surovin, polotovarů nebo rozpracované výroby a pomocných látek mezi podniky, uvnitř podniku mezi objekty (např. dílnami) a uvnitř objektů mezi jednotlivými technologickými operacemi. - ve sféře osobní spotřeby – zajišťuje dopravu materiálu a zboží, tj. předmětů osobní spotřeby z obchodní sítě ke spotřebiteli, konečnému uživateli, ať již se jedná o právnickou osobu nebo fyzickou osobu. Objem nákladní dopravy - je vykazován v tunách za časovou jednotku (např. t.hod-1., t.měsíc-1, t.rok-1 apod.). Výkon nákladní dopravy - je vykazován v tunokilometrech za časovou jednotku, zpravidla za 1 rok (t.km.rok-1). Důležitým ukazatelem je spotřeba dopravní práce na tunu vyrobené produkce vyjádřená v kJ.t-1.km-1. V uplynulých padesáti letech tento ukazatel vzrostl ve vyspělých zemích západní Evropy, USA a Japonsku o více než 40 %. 45
Všeobecně platí, že roste rychleji v uplynulých 30-ti letech objem silniční dopravy na úkor dopravy železniční. Hlavním důvodem je rychlost a operativnost především dálkové kamionové nákladní dopravy. Podíl říční lodní dopravy na celkových dopravních výkonech se ve většině vyspělých zemí příliš nemění, trvale ale vzrůstá podíl dopravy námořní. Obecně má nákladní doprava výrazně větší význam než doprava osobní. Nároky na dopravní systémy se s globalizací ekonomiky zvyšují – koncentrace výrob směrem ke zdrojům surovin, energií a pracovních sil spolu s růstem kapacit výrobních jednotek tento trend výrazně podporuje. Osobní doprava – hromadná doprava osob – zajišťuje přepravu osob veřejnými dopravními prostředky, např. autobusy, železnicí, metrem, lanovými drahami. – individuální doprava osob – zajišťuje dopravu osob zpravidla individuálně vlastněnými dopravními prostředky z místa bydliště na pracoviště, rekreaci, za kulturou apod. v našich podmínkách převážně osobními automobily, v menší míře jinými dopravními prostředky (např. jízdními koly nebo motocykly). Měřítkem přepravní kapacity osobní dopravy je počet osob přepravených zpravidla za 1 rok. Výkon osobní dopravy - je vykazován v osobokilometrech za 1 rok (os.km.rok-1). V posledních 10 – 15-ti letech objem individuální osobní dopravy v ČR významně vzrostl v důsledku výrazného omezení dotací hromadné osobní dopravy státem. Negativním důsledkem je růst měrné spotřeby energií a emisí v přepočtu na os.km, což se promítá do zhoršené kvality ovzduší ve městech z vyšší hustotou dopravy. Mobilita (hybnost) obyvatelstva – vyjadřuje počet všech jízd na osobu za 1 rok v rámci sledovaného území nebo státu. Zpravidla se stanovuje pro každý druh dopravy samostatně. Rychlost dopravy – zahrnuje vlastní rychlost dopravního prostředku. Význam má především rychlost průměrná (jízdní, technická, cestovní), která rozhoduje o rychlosti přepravy – tj. době nutné pro přepravu zboží z výchozího místa do cílového místa přepravy. V rychlosti přepravy jsou zahrnuty kromě jízdního času i časy nutné pro nástup osob nebo nakládku zboží, zastávky v mezilehlých stanicích pro přestup nebo překládku, výstup osob a vykládku zboží. Vlastní náklady přepravy – zahrnují finanční náklady vynaložené na uskutečnění přepravních výkonů na t.km nebo os.km. Jsou významným ekonomickým nástrojem pro posuzování efektivity jednotlivých dopravních systémů nebo firem zajišťujících dopravní služby. Vlastní náklady přepravy zahrnují náklady na: • energie, • amortizaci dopravního prostředku, • mzdy a platy osob, • pojištění vozidla, nákladu a osob, • údržbu, • poplatky za užití dopravní cesty. Od vlastních nákladů na přepravu se odvíjí tarify (ceny přepravy) nebo smluvní podmínky přepravy, za nichž je konkrétní přeprava osob nebo nákladů realizována.
46
3.1.3
Druhy dopravy
3.1.3.1 Vodní doprava Vodní doprava náleží od starověku k významnému fenoménu rozvoje civilizací a jejich materiální výroby. Příbřežní námořní plavba a říční plavba využívaly především energie větru a proudící vody. Říční plavba proti proudu využívala vlečení prázdných i plných plavidel koňskými potahy, později i parními lokomotivami (např. Železná vrata na Dunaji). Teprve zavedení parní trakce lodí s kolesy a později lodními šrouby předurčilo další prudký rozvoj vodní dopravy. Její význam pro národní a zejména mezinárodní směnu zboží významně vzrost a její význam se trvale udržuje na vysoké úrovni z hlediska procentického zastoupení v dopravních výkonech. Námořní doprava – pobřežní a zejména transoceánská využívá s výhodou: • přírodních a geografických podmínek pro stavbu přístavů (zátoky, ústí velkých řek, hloubka moře při pobřeží), • klimatických podmínek (nezamrzání přístavů, méně četný výskyt bouří spojených s vlnobitím, méně častý výskyt mlh), • mořských proudů, přílivu a odlivu. Velmi efektivní je námořní doprava pro přepravu hromadných substrátů, např. ropy, rud kovů, uhlí, fosfátů aj. surovin a materiálů pro průmyslové zpracování nebo objemných výrobků např. strojírenského průmyslu kontejnerů aj. Nízké vlastní náklady přepravy vyplývají zejména z vysoké kapacity příslušných lodí a nízké měrné spotřeby energie na přepravu. Rovněž mzdové náklady jsou položkou zanedbatelnou. Střední cestovní rychlost dosahuje běžně 40 – 60 km.hod.-1, což je určitou nevýhodou oproti jiným druhům dopravy. Proto je námořní doprava určena především pro dopravu materiálů a zboží nepodléhajícího zkáze. Potraviny jsou transoceánskou dopravou přepravovány konzervované, chlazené nebo zmrazené. Vůbec největším námořním a zároveň říčním přístavem na světě je přístav v Rotterdamu. Jeho technická vybavenost a kapacita má klíčový význam pro řadu zemí západní Evropy. Propojením Rýna, Labe a Dunaje průplavy je tento přístav významný i pro ČR. Říční doprava – využívá: • splavněných vodních toků – výška hladiny a tím využitelný ponor plavidel je stabilizován jezy a přehradami 9 s plavebními komorami nebo lodními zdvižemi. • břehy splavněných řek mají zásyp kamenivem nebo dlažbu, což zabraňuje erozi břehů vlnami projíždějících plavidel a zanášení plavební dráhy. Břehy splavněných řek jsou dále zpevňovány vegetací (stromy, keře). V rovinaté krajině také stromořadím, které zároveň působí jako větrolam – brání vychylování plavidel z žádaného směru, což vede k úspoře pohonných hmot. • umělých plavebních kanálů pro zkrácení plavební dráhy a zajištění její odpovídající hloubky a šířky. Plavební kanály také bývají součástí plavebních komor umístěných stranou vodního toku (viz na Labi v Roudnici n.L. nebo v Lovosicích, na Vltavě před ústím do Labe u Mělníka nebo u Palackého mostu v Praze aj.). U jezů a přehradních hrází jsou budovány vodní elektrárny. Tím se zvyšuje ekonomická návratnost příslušných vodních staveb.
9
47
• • •
průplavů mezi vodními toky, které zajišťují v řadě případů propojení povodí dvou i více řek a tím jejich využití pro říční dopravu bez potřeby překládky zboží. To vede k úspoře nákladů a zkrácení doby přepravy. říčních lodí s plochým dnem bez kýlu a relativně velkou šířkou trupu k jejich délce 10. Toto přizpůsobení konstrukce lodí říční plavbě snižuje jejich ponor a tím náklady na vodní stavby spojené se splavňováním vodních toků i údržbou plavební dráhy. bójí pro vytyčení plavební dráhy. Bóje jsou opatřeny radarovými odražeči, což umožňuje plavbu za snížené viditelnosti, tj. v noci a za mlhy.
Říční doprava je v zemích EU zajišťována loděmi nyní s nosností až do 1200 t s vlastním pohonem nebo ve člunech vlečených či tlačených remorkéry. Dle přepravovaného zboží jsou lodě otevřené nebo zakryté s jedním, dvěma nebo více nákladovými prostory a lodě tankové. Otevřené lodě jsou také běžně využívány pro dopravu ISO kontejnerů. Ekonomická je říční doprava zejména pro hromadné substráty s nízkou kilogramovou cenou nebo pro velmi objemné zásilky. Příkladem nechť jsou stavební hmoty (písek, štěrkopísek, drcené kamenivo), energetické suroviny (ropa, energetické a tříděné uhlí), suroviny pro chemický průmysl (NaCl, KCl, fosfáty aj.), suroviny pro potravinářství (obilniny, olejniny) a výrobky typu průmyslových hnojiv tuhých nebo kapalných, objemné strojírenské výrobky, motorová paliva apod. Pro ČR má zásadní význam celoroční splavnost Labe s jeho napojením na síť řek a kanálů v SRN i Polsku. To umožňuje přístup do přístavů v Severním moři, hlavně Hamburku a Rotterdamu a dále přístavů v Baltském moři, především Štětína. Do budoucna bude také nezbytné vyšší využití hydroenergetického potenciálu řeky Labe na nových nebo již vybudovaných plavebních stupních. Výhodou labské dopravní cesty (včetně Vltavy) je, že prakticky nezamrzá. Důvodem je vedle mírného podnebí významné napájení řeky relativně teplou vodou z vltavské kaskády a oteplenou vodou zejména z tepelné elektrárny Mělník a velkých průmyslových podniků na Labi (Spolana Neratovice, Lovochemie Lovosice, Asidoman-Sepap Štětí aj.). 3.1.3.2 Železniční doprava V první fázi výstavby železnic byly budovány tratě jednokolejné, později vícekolejné. Tak byla již v té době výkonná námořní a říční doprava postupně doplněna výkonnou, spolehlivou a na povětrnosti málo závislou sítí dopravy železniční kontinentální i mezikontinentální (spojení Evropy s Asií Transsibiřskou magistrálou). Rozvoj průmyslové výroby začátkem 19. století vyžadoval výkonnější dopravní systémy pro přepravu surovin a výrobků. Formanská doprava již nestačila potřebám doby. S rozvojem technických znalostí bylo také na přelomu 18. a 19. století exaktně prokázáno, že valivý odpor na rovné a pevné dráze ze dřeva a zejména oceli je 3 – 5x menší, než tomu je u silniční dopravy. Tento poznatek vedl k efektivnějšímu využití koňské trakční síly – bylo započato s výstavbou koněspřežných železnic, ale i kolejové pouliční dopravy. První mezinárodní koněspřežná železnice na světě byla vystavěna z Českých Budějovic do Lince. Říční čluny nejsou vhodné pro plavbu na moři. Bez kýlu obtížně drží směr plavby, snadno je snáší vlnobití i vít. Relativně větší šířka trupu vůči délce je výhodná pro otáčení lodí v plavební dráze nebo průplavu, ale vzrůstá přitom spotřeba energie pro pohon. 10
48
Poznatky získané při trasování a stavbě koněspřežných železnic (poloměry oblouků a jejich klopení, sklony trati, uložení kolejnic, drenážování železničního svršku, výstavba mostů a propustků, úvozů a tunelů). Dodnes používaný hřibovitý profil ocelových kolejnic pochází z Nizozemska. Nahradil původně používané dřevěné trámy koněspřežných tratí včetně trámů pobitých ocelovými pásy nebo válcovanými profily, které byly později využívány při stavbě železnic s parní trakcí. Kolejnice jsou ukládány na pražce původně vyráběné hlavně z impregnovaného bukového dřeva, později z oceli nebo železobetonu. Pražce jsou zpravidla uloženy ve štěrkovém loži na zhutněném škvárovém podloží. Tento tzv. železniční svršek zajišťuje horizontální a vertikální stabilitu trati a její odvodnění (včetně drenážních potrubí). Železniční spodek zahrnuje úvozy, náspy, mostní konstrukce, propustky aj. součásti trati. Pro výstavbu železničních tratí, zpočátku isolovaných, později mezistátně propojených byl důležitý rozchod kolejí – kolmá vzdálenost mezi vnitřními hranami hlav kolejnic. Mezinárodní sjednocení rozchodu železničních tratí zkracuje dobu přepravy bez nutnosti překládky zboží (nebo jen výměny podvozků) a tím ji zlevňuje. V západní a střední Evropě včetně Rakousko-Uherska, tedy i v dnešní ČR 11, USA a Číně se ujal především tzv. stephensonský rozchod 1435 mm. V zemích bývalého SSSR a ve Finsku je používán výhradně rozchod 1524 mm (tzv. širokorozchodná trať). Širokorozchodná trať z Ukrajiny a je také do železáren v Košicích na Slovensku a z Běloruska do Katovic v Polsku pro zjednodušení dovozu železné rudy z Ruska 12. V současnosti se železniční doprava ve světovém měřítku podílí na dopravních výkonech nákladní dopravy méně než 50-ti %. Rozhodující úlohu má v dopravě na střední a velké vzdálenosti (stovky až tisíce kilometrů). V řadě zemí včetně ČR má významnou roli i v dopravě osobní jak vnitrostátní tak i mezinárodní. Železniční tratě v ČR a mezinárodní tratě v zemích EU jsou v současnosti stavěny na osové tlaky 22,5 t/nápravu. Řada tuzemských lokálních železničních tratí je konstruována pro osové tlaky 15 – 20 t/nápravu. To neumožňuje plné vytížení nákladních vagonů. Pro zajištění vyšších dopravních výkonů jsou přednostně používány železniční vozy čtyřnápravové. V nákladní dopravě jsou používány především vagony samovýsypné kryté (obilniny, stavebniny, olejniny aj. zboží) nebo otevřené samovýsypné či s bočnicemi (např. pro uhlí, písek, štěrk) nebo plošinové (např. pro ocelové válcované profily, dřevěnou kulatinu a řezivo, ISO kontejnery). Základní problémy železniční dopravy, které způsobují odliv zákazníků jsou: • omezená rychlost přepravy (snížením počtu seřaďovacích nádraží se dále zhoršila), • kvalita železničních tratí (nízké přípustné tlaky na nápravu, nízká max. rychlost), • kvalita a technický stav kolejových vozidel pro osobní i nákladní dopravu (např. zdaleka ne každý vůz může opustit území ČR, nízký podíl vozů krytých a samovýsypných), • omezená operativnost s ohledem na potřeby zákazníků, • ceny přepravy (s poklesem objemu přepravy klesají tržby a výpadek v příjmech je saturován růstem cen neúměrným kvalitě přepravních služeb),
V ČR technologická doprava v lomech a průmyslu také používá rozchod 600 – 1000 mm. Úzkokolejná trať s rozchodem 600 mm je v provozu mezi Jindřichovým Hradcem a Novou Bystřicí. Některé tramvajové dopravy v ČR mají rozchod 1000 mm. 12 V Irsku je používán v omezené míře rozchod 1600 mm, iberský rozchod 1656 mm je užíván ve Španělsku a Portugalsku. V řadě zemí Asie, Afriky, J.Ameriky a Austrálii se používají i užší rozchody 600 – 1067 mm, zejména v geograficky členitém terénu horských tratí. Užší rozhod kolejiště umožňoval nezanedbatelné zlevnění výstavby tratí v horském terénu. 11
49
•
kvalita dalších služeb (omezená doprava kusových a kontejnerových zásilek, poškození zboží při nešetrném posunu aj). • personální problémy ovlivňující kvalitu a dosažitelný pracovní výkon. • Výstavba nových nezavlečkovaných průmyslových zón. V devadesátých letech 20. století bylo započato s rekonstrukcí hlavních tranzitních tratí napříč ČR. 1. koridor směřuje od Děčína přes Prahu, Č.Třebovou, Brno a Břeclav do Rakouska a na Slovensko. Další koridor vede z Břeclavi přes Přerov do Ostravy a Polska. Vedlejší koridory Praha – Cheb, Přerov – Č.Třebová, Praha – Tábor – Horní Dvořiště doplňují síť tranzitních železničních tratí v ČR. Cestovní rychlosti v hlavních železničních koridorech mají být od r. 2010 na úrovni 160 km.h-1 pro osobní i nákladní dopravu. Po roce 2010 je uvažováno s výstavbou tranzitní vysokorychlostní železnice pro osobní dopravu, která by byla napojena na evropskou síť vlaků ICE v SRN a TGV ve Francii a V.Británii. Studie na stavbu této trati ve směru Drážďany – Praha – Brno – Vídeň již byla zpracována. Cestovní rychlosti na těchto tratích dosahují 300 km.h-1. Tím by byl učiněn další kvalitativní posun ve výkonech a službách Českých drah v osobní tranzitní dopravě. 3.1.3.3 Automobilová doprava Rozvoj automobilové dopravy je úzce svázán s vynálezy a zvládnutím výroby pístových spalovacích motorů zážehových (benzinových) a vznětových (dieselových poháněných motorovou naftou nebo petrolejem). První automobily byly zkonstruovány na přelomu 19. a 20. století v Německu, později se jejich výroba rozšířila do ostatních vyspělých zemí Evropy a USA. Na počátku byla výroba osobních automobilů pro 2 – 4 osoby nahrazujících kočáry tažené koňmi 13. Největší rozmach zaznamenal automobilismus po 1. světové válce a zejména ve druhé polovině 20. století. Rychlost automobilové dopravy osobní i nákladní a její operativnost způsobila odliv zákazníků z dopravy železniční na dopravu silniční v uplynulých letech. To si vyžádalo rozsáhlé investice do silniční sítě ve všech ekonomicky rozvinutých zemích světa včetně ČR. Především bylo investováno do: • rozšíření vozovek, zvýšení nosnosti (odvozených od celkové hmotnosti vozidel) a zvýšení počtu jízdních pruhů, • výstavby obchvatů sídel, výstavby mimoúrovňových přejezdů a tunelů, • výstavby dálniční sítě, • služeb spojených se silniční dopravou (čerpací stanice, parkoviště, motoresty, sociální zařízení, servisy motorových vozidel aj.). ČR leží na křižovatce základních tranzitních tras mezi severní a jižní Evropou, východní a západní Evropou. Tento fakt vyžaduje urychlené a dlouhodobě perspektivní řešení výstavbou tranzitních dálničních tahů napojených na evropskou dálniční síť souběžně s rozvojem železniční tranzitní dopravy. Každé jiné řešení je nepřijatelné provizórium ohrožující životní prostředí a zdraví obyvatel. V rámci EU je dosud preferována automobilová doprava před dopravou železniční i když tato má 3 – 5 x menší spotřebu energie na tunokilometr nebo osobokilometr! První automobil na území dnešní ČR a tehdejšího Rakousko-Uherska byl vyroben v Kopřivnici v r. 1894 (President). Sériová výroba osobních automobilů byla v Tatře Kopřivnice zahájena v r. 1899. Následně se byly vyrobeny automobily pro větší počet osob aj. užitková vozidla včetně autobusů. První nákladní automobil zde byl vyroben v r. 1898. Tímto automobilka Tatra náleží k nejstarším na světě. 13
50
3.1.3.4 Letecká doprava Letecká doprava osob a nákladů se v největší míře rozvinula nástupem tryskových, turbovrtulových a turbodmychadlových leteckých motorů od 60. let 20. století. Zvýšená rychlost a zejména dolet letadel umožnil zavedení pravidelných transkontinentálních a mezikontinentálních letů. Základní předností letecké dopravy je rychlost a bezpečnost. Počet nehod v přepočtu na tunokilometry nebo osobokilometry je řádově nižší, než je tomu u dopravy silniční nebo železniční. Zlevnění letecké dopravy bylo dosaženo zvýšením přepravní kapacity letadel a konstrukcí výkonnějších motorů s nižší měrnou spotřebou paliva vztaženou na osobokilometr (kg . os-1. km-1) nebo tunokilometr (kg . t-1. km-1). Nevýhodami letecké dopravy je: • závislost na povětrnostní situaci, • vysoká měrná spotřeba paliva a z ní vyplývající emise znečišťujících látek, • hlučnost. V řadě zemí Evropy je dříve běžná vnitrostátní letecká doprava vytlačována automobilovou nebo autobusovou dopravou po dálnicích a zejména vysokorychlostní železnicí, kdy celkový čas přepravy a ceny hrají hlavní roli. 3.1.3.5 Potrubní doprava Potrubní doprava surovin, polotovarů nebo výrobků v plynném nebo kapalném skupenství je výhodná pro přepravu velkých objemů příslušných látek na stálých dlouhodobě využívaných trasách. Výstavba dopravních tras je drahá, zejména v geograficky členitém terénu. Provozní náklady, tj. náklady přepravy, jsou nízké. Další její výhodou je nezávislost na ročním období a klimatických podmínkách. Potrubní dopravou jsou přepravovány v daleko největší míře voda pitná, užitková a odpadní. Potrubní doprava je investičně dražší, ale provozně levnější. Je zároveň spolehlivější, neboť téměř není vystavena vlivům povětrnosti a není ovlivněna dopravní nehodovostí v železniční nebo silniční síti. Potrubní trasy vyžadují periodické monitorování stavu technickými prostředky (měření teploty, tlaků, průtoků), prohlídkami pochůzkou, z motorových vozidel nebo např. helikoptér. Potrubní doprava surovin doznala největšího rozmachu po 2. světové válce a zejména v poslední čtvrtině 20. století. V tu dobu byly vystavěny ropovody a plynovody zajišťující zásobování průmyslu a obyvatelstva západní a střední Evropy, USA a Kanady těmito energetickými surovinami z nalezišť v Severním moři, severní Africe, dolním Povolží, severozápadní Sibiři, na Středním východě, Aljašce, Mexickém zálivu apod. V případě některých tras byla kombinována potrubní doprava s dopravou námořní tankovými loděmi pro přepravu ropy nebo zkapalněného zemního plynu. Technologicky je zvládnuta pneumatická i hydraulická doprava mletého vápence, fosfátů, uhlí aj. substrátů. Je ale realizována na významně kratší vzdálenosti, řádově stovek metrů, výjimečně na několik kilometrů. Běžná je hydraulická doprava popílků a škváry z energetických zařízení nebo kalů z čistíren odpadních vod na skládky odpadů. Kapacitní rezervy potrubní dopravy umožňují plynulé zásobování i při sezónních výkyvech mezi ročními obdobími. Síť ropovodů doplňují skladovací zásobní nádrže distributorů a zpracovatelů ropy, které umožňují pokrytí 1 – 3 měsíční spotřeby odběratelů. V případě plynovodů jsou pro tyto účely k dispozici podzemní zásobníky zemního plynu ve 51
vytěžených ložiscích. Zde je plyn skladován pro zimní měsíce, což umožňuje pokrytí špičkových spotřeb, kdy by již kapacita plynovodní sítě nevyhovovala. V ČR jsou v provozu dva ropovody: • Družba – ze západní Sibiře a Dolního Povolží přes Rusko, Ukrajinu a Slovenskou republiku do Kralup n.Vltavou a Litvínova (severní větev vede přes Polsko do Schwetu v SRN), • Terst – Ingolstadt, kde se ropovod větví dále na území SRN a do ČR – Kralup n.Vlt. a Litvínova (ropa je do Janova dovážena tankovými loděmi ze zemí Středního východu). Plynovody: • ČR náleží k nejvýznamnějším státům v Evropě pro tranzitní dopravu zemního plynu plynovodem BRATRSTVÍ ze severozápadní Sibiře přes Ukrajinu a Slovensko do ČR a západní Evropy (Rakouska, SRN, Francie). Dále je ČR napojena na plynovod Nordstream vedoucí z Ruska Baltským mořem na sever SRN a dále přes ČR do Bavorska (GAZELA). • ČR je také napojena přes území Dánska a SRN na síť plynovodů z norských těžebních polí v Severním moři. • Plynovody na území střední Evropy nyní často umožňují přepravu plynu v obou směrech a jsou zároveň napojeny na podzemní zásobníky (vytěžená ložiska zemního plynu). Diverzifikací zdrojů dodávek ropy a zemního plynu do ČR od různých zahraničních dodavatelů je zabezpečena vyšší jistota dodávek pro potřeby národního hospodářství a obyvatelstva jak z pohledu rizik poruch a technického stavu příslušných potrubních tras tak politicko-ekonomické situace v místě těžby a na potrubní trase. Produktovody - potrubní rozvod produktů - výrobků, zejména automobilových benzínů a motorové nafty, zajišťuje přepravu od výrobců do hlavních skladů distribuční sítě. Tím je zajištěna jak bezpečnost přepravy, tak plynulost zásobování všech odběratelů. Produktovody byly vystavěny i na přepravu dalších hromadně vyráběných meziprodukt: • kapalného amoniaku z Litvínova do Lovosic (mimo provoz), • kapalného amoniaku z Togliaty do Oděsy v Rusku, • syntetického alkoholu z Litvínova do Kralup v ČR (mimo provoz), • etenu z Litvínova do Neratovic v ČR a do Gőhlenu u Lipska v SRN 14. • motorová paliva (benzín a motorová nafta) jsou z rafinérií v Litvínově a Kralupech přepravována potrubím do hlavních disatribučních skladů (např. v Hněvicích, Běchovicích aj.). 3.1.3.6 Technologická doprava Technologická doprava navazuje na meziobjektovou dopravu uvnitř areálů průmyslových podniků. Zajišťuje přísun surovin, polotovarů a pomocných látek z vykládacích míst a skladů do výroby, dále dopravu polotovarů a pomocných látek mezi jednotlivými technologickými operacemi mezi objekty a uvnitř objektů výroben (dílen) a odsun hotových výrobků do skladů a na nakládací místa dopravy silniční, železniční nebo lodní. V tomto případě využití potrubní dopravy zajistilo vedle dříve uvedených výhod i lepší využití výrobních kapacit pro výrobu etenu i jeho zpracování. 14
52
Doprava plynů a kapalin je zajištěna potrubními rozvody: • podzemními - všechny druhy technologických vod i vody pitné a vod odpadních, jsou vždy v nezámrzné hloubce, tj. 150 cm pod povrchem, • nadzemními rozvody na potrubních mostech - vodní pára a kondenzát vodní páry, technické a topné plyny, topné oleje, stlačený vzduch, meziprodukty (NH3, HNO3, H2SO4, H3PO4, roztoky nebo taveniny solí s doprovodným otopem aj.). Technologicky nejkomplikovanější a tím i nejdražší je doprava: • kusových zásilek, kusového materiálu a zboží – s výhodou jsou pro uložení a dopravu zároveň využívány palety prosté nebo příhradové, kontejnery a big backy, se kterými je snadno manipulováno ručními, mechanickými nebo automaticky řízenými paletovými vozíky a vysokozdvižnými vozíky. Zároveň bývají využívány pro dopravu kusových zásilek válečkové tratě, dopravní pásy, podvěsné lanové nebo řetězové dopravníky, • pevných sypkých surovin a materiálů: Horizontální a šikmá doprava sypkých materiálů: - pásová doprava 15 – je umístěna v ocelové konstrukci odkryté nebo zcela zakryté dle vlastností přepravovaného materiálu (prašnost, hygroskopičnost, lepivost). Pohon hnacího bubnu zajišťují elektromotory s redukcí převorů 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 500 – 2000 mm. Napínání pásů je zajištěno u krátkých pásů do délky cca 20m šroubovým posuvem vratného bubnu na konci pásu, u delších pásů závažím na napínacím bubnu zavěšeném 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, takže 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. č. 3.1
Schéma pásového dopravníku 1 - násypka materiálu, 2 – vratný a napínací buben, 3 – válečky podpírající pás, 4 – hnací buben, 5 – stěrač a výsyp materiálu,
Výstavba pásových dopravníků je investičně náročná, ale provozní náklady jsou nízké, rovněž měrná spotřeba energie na dopravu (v kWh.t-1) je nízká. V praxi je využíváno tří 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 Obdobně jako pásové dopravníky jsou uspořádány válečkové tratě pro dopravu kusových zásilek na paletách, v bednách, kartonových obalech apod. Všechny válečky jsou poháněny řetězem. 15
53
•
•
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). 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 16 – 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. 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.
- šneková doprava – v ocelové trubce kruhového průřezu nebo zakrytém ocelovém žlabu Uprofilu je umístěna šnekovnice poháněná přes převodovou skříň elektromotorem. Materiál je posunován šnekovnicí po dně žlabu. Šnekový dopravník bývá používán rovněž jako dávkovač – pak je krátký šnek umístěn na mechanické nebo tenzometrické váze, 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. 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
Do skupiny plochých pásových transportérů lze zařadit pohyblivé chodníky používané v areálech letišť, výstavišť, obchodních domů aj.
16
54
Obr. č. 3.2
Schéma šnekového dopravníku 5 1 – elektromotor, 2 – převodová skříň, 3 - násypka materiálu, 4 – trubka nebo zakrytý žlab se šnekovnicí, 5 - výsyp materiálu
- redlerové dopravníky – jsou tvořeny ocelovým žlabem, obvykle zakrytým. V něm se pohybuje vlečený ocelový řetěz s litinovými hrabicemi. Robustní konstrukce tato zařízení předurčuje do těžkých provozních podmínek a pro vysoké dopravní výkony. Pohon řetězu zajišťuje elektromotor s převodovou skříní. Redlerové dopravníky se běžně používají pro dopravu horkých materiálů (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. - vibrační dopravníky 17 a třasadlové dopravníky – jsou tvořeny kovovým žlabem s mechanicky nebo elektromagneticky vyvozenými vibracemi. 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 aj. - pneumatická doprava (pneudoprava) – pohyb rozmělněného materiálu (často jemně krystalického až práškovitého) ocelovým, litinovým nebo termoplastovým potrubím je zprostředkován proudem vzduchu, který předává kinetickou energii částicím tuhého materiálu. Jedná se o uzavřený dopravní systém, který minimalizuje ztráty do okolí rozprášením, ale také znečištění dopravovaného materiálu nečistotami z okolního ovzduší. Proto jsou 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.). Jsou-li dopravovány tvrdé a abrasivní materiály, jsou používány pro výrobu potrubí či jen kolen keramické hmoty, např. tavený čedič. Investičně a provozně je pneumatická doprava drahá, ale vyšší náklady jsou vyváženy výhodami čistého dopravního systému. V některých případech je i kvůli zlevnění k dopravě používán horký vzduch nebo spaliny zemního plynu. To umožňuje spojení dvou technologických operací - pneudopravy se současným sušením dopravovaného materiálu. Jsou rozeznávány dva základní typy pneumatické dopravy: • podtlaková (sací) 18 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. Pohyb dopravního vzduchu v systému je zajištěn vícestupňovými radiálními ventilátory. Krátké vibrační dopravníky s celkovou délkou do 1 m bývají součástí dávkovačů materiálů do technologických zařízení, např. do drtičů a mlýnů, třídičů, rozkladných reaktorů, pecí, sušáren. 18 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, nádraží aj. 17
55
•
•
přetlaková pneudoprava – 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. Vícestupňové odloučení dopravovaného materiálu z proudu vzduchu je shodné jako u dopravy sací. kombinovaná doprava s uplatněním obou systémů.
- hydraulická doprava – využívá k dopravě tuhého materiálu proudu vody ve skloněném žlabu nebo pod tlakem 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. Hydraulická doprava může být současně technologickou operací – praním nebo tříděním materiálu. S výhodou je používána pro dopravu např. 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: - skluzy a přesypy – zpravidla ocelové potrubí s kruhovým nebo obdélníkovým průřezem zajišťují svod sypkých materiálů v technologických linkách ze zařízení umístěných ve vyšších podlažích směrem dolů 19. Otevřené žlaby např. pro pytlované zboží zajišťují rovněž dopravu z vyšších podlaží. Tyto dopravní cesty jsou obvykle odsávány ventilátory společně s technologickým zařízením a přes odprašovací zařízení (cyklony+filtry). Podtlakem v systému je zajištěno snížení ztrát a omezení prašnosti v prostoru výroben. Otevřené skluzy jsou používány na balené zboží, např. v papírových nebo polyetylénových pytlích. 1
6
2
3
5 4 Otevřené žlaby např. pro pytlované zboží zajišťují rovněž dopravu z vyšších podlaží do skladovacích prostor nebo k nakládacím místům do dopravních prostředků.
19
56
Obr. č. 3.3
Schéma 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
- korečkové elevátory – zajišťují vertikální nebo šikmou dopravu sypkých materiálů směrem vzhůru. Používány jsou zejména pro materiály s nízkým sypným úhlem a dopravu materiálu do výšky až několika desítek metrů ve stísněných prostorách. Výhodou je 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 zavěšeny na dvou paralelních článkových řetězech nebo pásu (pryžovém, textilním nebo termoplastovém). Ocelové korečkové elevátory jsou vhodné i pro dopravu velmi horkého materiálu (až 300 oC), např. granulátů ze sušáren, kalcinátů nebo předchlazených cementářských slínků aj. Jsou rozeznávány 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. 3.2.
Skladování
3.2.1
Skladování pevných sypkých substrátů
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 – se zpevněnou plochou (betonovou 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, např. energetické uhlí, písek, štěrk, drcený vápenec, kusová síra. 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. • polouzavřené zakryté – skladovací boxy jsou volně zastřešeny, aby kvalita materiálu neutrpěla za deště nebo sněhu. Ve s¨kladech tohoto typu je skladován např. pyrit, průmyslová sůl, palety a kontejnery s baleným zbožím, big backy. 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 – zcela uzavřené stěny a střecha brání vlivům povětrnosti, sklady lze klimatizovat. Jsou požívány pro drahé, okolí nebezpečné nebo na změny vlhkosti citlivé hygroskopické materiály, např. surový cukr, fosfáty, průmyslové soli a hnojiva, stavební aj. hmoty v papírových pytlích. Materiál je ve skladu volně nasypán, obvykle v boxech, 57
•
3.2.2
nebo je uložen v kontejnerech, pytlích na paletách apod. Naskladnění i vyskladnění materiálu je plně mechanizováno s manuální nebo automatickou obsluhou. sila – válcové ocelové nebo betonové věže plněné shora, s kónickým dnem a vyprazdňované spodním výsypem s propelerovými nebo vibračními podavači, turniketovými podavači apod. Používány jsou pro skladování sypkých surovin, obilnin, olejnin, granulovaných krmiv, cementu, vápna, mletého vápence aj. materiálů sypkých, nelepivých a nespékavých. Skladování kapalin
Skladování kapalin je v převážné většině případů zajištěno obvykle ve stojatých válcových nádržích s rovným dnem a víkem. 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. Pro menší objemy kapalin jsou také používány ležaté válcové nádrže s hluboce klenutými dny. Skladovací nádrže jsou vždy umístěny na zvýšeném základu v záchytné vaně s kyselinovzdornou vyzdívkou, penetračním nebo 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. Skladovací nádrže hořlavin jsou často vybaveny stabilním požárním zařízením s dálkovým ovládáním a automatickou signalizací. To umožňuje informaci obsluh o vzniku požáru a jeho rychlou lokalizaci i uhašení. K hašení je používána vzduchomechanická pěna 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. Stabilní protipožární zařízení také umožňuje ochlazování stěn nádrží vodou v případě nehody v jejich blízkosti, případně vytvoření tzv. vodní clony bránící šíření požáru. Sklady hořlavin musí být min. 25 m od ostatních objektů 3.2.3
Skladování plynů
Technické plyny (viz dále) jsou převážně v průmyslových podmínkách skladovány: • stlačené v ocelových tlakových láhvích, kontejnerech nebo přívěsech s tlakovými láhvemi. Toto uskladnění je vhodné pro menší objemy (řádově tisíce Nm3) technických plynů pro potřeby autogenního sváření v průmyslu a službách, skladování kyslíku v nemocnicích apod. • zkapalěné v ocelových nádržích s válcovým pláštěm a hluboce klenutými dny a s tepelnou izolací za atmosférického tlaku, mají-li kritickou teplotu vyšší než je max. teplota okolní atmosféry. Tzv. atmosférický sklad bývá vybaven zkapalňovací stanicí, zejména není-li zajištěn plynulý odběr odpařeného plynu 20. zkapalněné v ocelových kulových zásobnících s tepelnou izolací za zvýšeného tlaku. Zkapalněné technické plyny Malá množství zkapalněných plynů (desítky litrů) jsou přepravována a skladována v Dewarových nádobách skleněných nádobách s dvojitou stěnou uvnitř postříbřených a umístěných v plechových kontejnerech s tepelnou izolací. Běžně jsou tyto nádoby užívány v humánní a veterinární medicíně, výzkumných ústavech a jinde převážně na dopravu a skladování kapalného dusíku. 20
58
•
jsou skladovány výše uvedenými dvěma způsoby v průmyslových podnicích s velkou spotřebou. 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. 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.
3.3
Balení
Jakýkoliv obal má následující základní funkce (relativnost funkce obalu): • ochrana materiálu uvnitř obalu před znečištěním, poškozením nebo zničením, • ochrana okolí před nebezpečnými vlastnostmi materiálu uchovávaného v obalu. Další funkce obalu spočívají v: • prodloužení trvanlivosti výrobku vytvořením mikroklimatu uvnitř obalu vhodného pro přepravu a skladování, • seznámení zákazníka se základními vlastnostmi výrobku včetně ceny, • seznámení s návodem a možnostmi užití výrobku, • upoutání pozornosti zákazníka - k reklamě výrobku. 3.3.1
Obalové materiály
Pro balení výrobků nebo polotovarů jsou používány obaly na bázi: • kovů – ocelové sudy (někdy pozinkované), plechovky (v potravinářství cínované Fe nebo Al), bedny, kontejnery, příhradové palety, hliníkové fólie (alobal), cínové fólie (staniol), • dřeva – bedny, dřevěné klece a rámy, palety ve spojení s dalšími obaly. • celulózy – papír, lepenky (jednovrstvé nebo vícevrstvé pro výrobu především krabic s potiskem nebo bez potisku), celofán, • termoplastů – ve formě fólií (klasických i smršťovacích) nebo výlisků (sudy, láhve, krabice, kanystry, tuby, nejčastěji z polyetylénu (nízkohustotního či vysokohustotního), polyesteru, PVC, polystyrénu, • kombinovaných materiálů – např. obaly na nápoje typu tetrapak (papír+alobal+ polyetylén) používané pro balení nápojů, • obalového skla čirého nebo barevného, např. láhve (uzavírané korkovou zátkou, korunkovými nebo šroubovými uzávěry), konzervárenské sklenice, demižóny v kovových koších s protinárazovou výstelkou, Dewarovy nádoby s dvojitou stěnou v kovovém tepelně izolovaném kontejneru, karafy na kosmetické přípravky, lékovky aj.
59
Volba obalových materiálů a způsobů uzavírání obalů je závislá na: • vlastnostech baleného materiálu a jeho množství v obalové jednotce (pytli, sudu, láhvi aj.) – jeho skupenství, korozívních účincích, riziku mikrobiologického poškození nebo negativního vlivu vzdušného kyslíku (např. konzervace s hermetickým uzavřením obalu např. svarem nebo víčkem s těsněním, použití ochranné atmosféry N2, N2O, CO2), potlačení negativního vlivu tepla (zlepšené tepelně izolační vlastnosti obalu použitím pěnového polystyrénu, polyuretanu – molitanu aj.), potlačení vlivu světla na výrobek (tmavé láhve, černé obalové papíry nebo Al fólie), • množství materiálu v daném obalu, jeho hmotnosti v obalové jednotce - pytli, sudu, láhvi, kontejneru, sáčku aj.) – tomu je přizpůsobena např. síla plastové fólie nebo plechu, počet vrstev u papírových pytlů nebo lepenky. Velikost obalových jednotek v současnosti je max. 50 kg, běžné je balení po 25 – 30 kg materiálu, má-li se s ním v některé fázi manipulovat ručně. • předpokládané době uchovávání materiálu v obalu - je rozdíl mezi krátkou dobou přepravy a skladováním krátkodobým nebo skladováním dlouhodobým, kdy obal nahrazuje např. uzavřený box, • možných vlivech klimatu na obal – rozeznává se balení pro mírné pásmo a pro tropy, kde horké a vlhké podnebí vyžaduje účinnější ochranu výrobků, • ceně výrobku – obvykle cena obalu nepřesahuje 10 % z ceny výrobku. V případě balení cenných předmětů může cena obalu stoupnout až na trojnásobek (např. klenoty, broušené sklo, elektronika). 3.3.2
Balící a manipulační technika
U hromadných a velkotonážních výrob je v současnosti naprosto běžná automatizace všech operací spojených s balením výrobků: • • • • • •
doprava ze skladů k balící lince (pásové dopravníky, šnekové dopravníky, pneumatická doprava, čerpání potrubím aj.), vážení a dávkování do obalu, uzavření obalu víčkem, lepením nebo svářením (láhve, pytle, plechovky, sáčky aj.), uložení zabaleného výrobku do krabic, jejich uzavření a přelepení, uložení krabic nebo pytlů na paletu v paletovacím stroji, fixace pytlů nebo krabic, cihel, tvárnic, dlaždic, střešních tašek aj. zboží na paletě smršťovací fólií nebo páskováním.
Běžná je maximální mechanizace dopravy a nakládky palet do kontejnerů nebo přepravních prostředků pomocí např. válečkových tratí, vysokozdvižných vozíků nebo nakládacích strojů do silničních vozidel, železničních vagonů, lodí a letadel. Základním cílem balící a manipulační techniky je: • odstranit fyzicky namáhavou práci s rizikem pracovních úrazů nebo trvalého poškození zdraví spojeného se snížením pracovní schopnosti, • odstranit monotónní jednotvárnou práci, která je psychicky namáhav, • zajistit bezpečné a spolehlivé zabalení výrobku s jeho uložením do přepravního prostředku bez poškození výrobku.
60
Cena balících automatů a nakládacích mechanismů je značně vysoká. S růstem ceny lidské práce (mzdy) se bude podíl mechanizace a automatizace dále zvyšovat. Nasazení vyšší mechanizace a automatizace bude efektivní pouze u linek s vícesměnným provozem a vysokým hodinovým výkonem. 3.4
Negativní účinky dopravy a manipulace s materiálem na životní prostředí
3.4.1
Základní negativní účinky a jejich původ
Základní negativní účinky dopravních staveb na životní prostředí lze shrnout do následujících bodů: • • • • • • • • •
zásah do vegetačního krytu – nutnost odstranění vegetace v pásu území budované dopravní cesty a objektů sloužících dopravě, vynucená migrace živočichů nebo jejich zahubení při zemních pracích na trase dopravní stavby, skrytí půdního horizontu a deponování půdy pro potřeby dokončovacích prací nebo rekultivací, její částečné znehodnocení změnou vlhkosti a provzdušnění, zábor zemědělské a lesní půdy, zásah do horninového prostředí stavbou úvozů, tunelů a náspů, zásah do vodního režimu meliorací podloží dopravních staveb pro zvýšení únosnosti základových vrstev s potlačením slehávání, poklesů a sesuvů (hlavně svahů úvozů a náspů), narušení nebo přerušení migračních tras živočichů včetně biokoridorů, změna reliéfu a celkového vzezření krajiny, hluk, vibrace, prašnost a emise znečišťujících látek 21 způsobené stavební a dopravní technikou, odstřely hornin apod. v době budování dopravní cesty a vlastní dopravou materiálů během stavby dopravní cesty.
Vlastní doprava má následující negativní účinky: • hluk – je vyvozován hlavně trakčními zařízeními (motory) s převody, podvozkovými díly, brzdami, chladícími ventilátory motorů a výkonové elektroniky železničních lokomotiv, odvalováním kol na nerovnostech dopravní cesty, kvalitou mazání rotujících dílů pásových doprav, lanovek, válečkových tratí aj. dopravních strojů. Hladina vnějšího hluku při rychlosti 100 km/hod. a vzdálenosti 100 m od osy dopravní cesty u železniční dopravy je nad 75 dB, u silniční dopravy pro osobní automobily je nad 60 – 70 dB dle hmotnosti vozidel, při startu dopravních letadel dosahuje hodnot nad 95 dB. • vibrace vyvolávají hlavně vertikální nerovnosti železnice, vertikální nerovnosti a kvalita povrchu vozovek (rozdíly jsou mezi dlážděnou, betonovou nebo asfaltovou vozovkou), kvalita tlumičů vozidel, nevyváženost rotujících konstrukčních součástí vozidel (kola, spalovací motory, převodové a rozvodové skříně) kvalita ložisek a opotřebení mechanických dílů, třasadlové a vibrační dopravníky nebo podavače a dávkovače,
Emise tuhých zvířených prachových částic s povrchu vozovky nebo přepravovaných nákladů, emise sazí, uhlovodíků i jejich derivátů a CO z nedokonale spálených motorových paliv, emise oxidů dusíku.
21
61
• prašnost je způsobena průjezdem vozidel např. po znečištěných vozovkách nebo úletem či spadem přepravovaných sypkých materiálů, emisemi sazí špatně seřízených spalovacích motorů apod., • plynné emise ze spalovacích motorů motorových paliv – obsahují vedle CO2 a vodní páry nespálené uhlovodíky (včetně polycyklických aromatických uhlovodíků a dehtů) a jejich deriváty (aldehydy, ketony, fenoly), CO, NOx a SO2: • vysoká měrná spotřeba energie a tím vyšší emise znečišťujících látek do atmosféry u některých druhů dopravy v přepočtu na tunokilometr u nákladní dopravy nebo osobokilometr u osobní dopravy. • vyvolané externí náklady mimo vlastní dopravu, • znečišťování vod, riziko poškození zdrojů vod při dopravních nehodách, • růst objemu odpadních materiálů z likvidovaných dopravních staveb a techniky (beton, suť, živičné směsi z vozovek a chodníků, ocel a barevné kovy, pneumatiky, plasty aj.), • růst objemu odpadních olejů a maziv, • negativní vliv na zdravotní stav obyvatelstva a vysoká úrazovost při dopravních nehodách, • úhyn zvěře na dopravních cestách. Tabulka č. 3.1
Měrné emise plynů různých dopravních prostředků
Emise (g.osobokilometr-1) Dopravní prostředek
CO2
NOx
SO2
Letadlo Osobní auto Železnice Autobus
260 176 38 28
0,98 0,44 0,114 0,68
0,124 0,034 0,034 0,028
Tabulka č. 3.2
Měrné spotřeby energie dle druhů dopravy
Měrná spotřeba energie Druh dopravy
kJ.tkm-1
Silniční doprava - kamion Železniční doprava Říční doprava
2290 560 464
Tabulka č. 3.3
Měrné externí náklady vyvolané dopravou
Náklad (EUR.100 tkm-1)
zdravotnictví*/
emise**/
hluk
Druh dopravy Silniční doprava Železniční doprava Říční doprava
1,78 0,12 0,01
2,36 0,33 0,34
0,87 0,70 0,01
62
*/ - úrazy, respirační onemocnění aj. **/ - škody na vegetaci, stavebních objektech aj. 3.4.2 Omezování negativních účinků dopravy Omezení negativních účinků dopravy lze dosáhnout: • zpracováním dopravní koncepce (politiky) státu (organizačně-technická opatření), • zaváděním opatření k absolutnímu snížením dopravních výkonů (světový trend je právě opačný), • snížením dopravních výkonů těch druhů dopravy, které nejvíce poškozují základní složky životního prostředí (ve skutečnosti přepravní výkony železnice přebírá silniční kamionová doprava, rozvoj říční dopravy do jisté míry stagnuje), • preferencí hromadné osobní dopravy před dopravou individuální při zajištění žádané dopravní obslužnosti území (tendence dopravní politiky v ČR tomu nenasvědčují), • podporou železniční a lodní kontejnerové tranzitní dopravy, • rozvojem vysokorychlostní železniční dopravy, • podporou systému ROLA s přepravou návěsů, nikoliv jen návěsů s tahači, • oddělením průmyslových a dopravních zón od zón obytných a rekreačních výstavbou obchvatů sídel, sběrných komunikací a dokončením výstavby základní dálniční sítě v ČR s vazbou na dálniční síť zemí EU (územně-technická opatření – urbanistické řešení území), • zajištěním kvalitní údržby existujících dopravních cest, zejména silniční a železniční sítě, • výstavbou protihlukových bariér (vegetační pásy, náspy, protihlukové stěny, tunely, úvozy aj.), • zvyšováním podílu motorových vozidel vybavených katalyzátory výfukových plynů, • přechodem z motorové na elektrickou trakci u městské hromadné dopravy a příměstské dopravy, • výstavbou metra ve velkých městech. Základem řešení negativních účinků dopravy musí být důsledné odstraňování jejich příčin. Pouhé potlačování následků je vždy řešením provizorním.
Kontrolní otázky Které složky životního prostředí jsou zasaženy dopravními stavbami? Co je rozuměno dopravní trasou a dopravním tahem? V čem je rozdíl? Vyjmenujte hlavní druhy dopravy! Jak je vyjadřován výkon dopravy? Jak lze objektivně vyjádřit měrnou spotřebu energie a měrné emise při užití různých druhů dopravy? 6. Jaké technické prostředky jsou používány pro mezipodnikovou, vnitropodnikovou a technologickou dopravu? 7. Jak jsou skladovány materiály sypké, kapalné, plynné? 8. Jaké funkce má obal, které materiály jsou používány na zhotovené obalů? 9. Obecně jaké negativní účinky má doprava? 10. Jakými opatřeními lze negativní účinky dopravy omezit?
1. 2. 3. 4. 5.
63
4.0.
ENERGETIKA
4.1
Energie, druhy a formy energie
Energií je z hlediska fyzikálního a technického rozuměna míra různých forem pohybu hmoty ve všech jejích vzájemných přeměnách. V tomto smyslu je rozeznávána energie kinetická, potenciální, tepelná, mechanická, elektromagnetická, jaderná, chemická aj. Jedinou původní přírodní formou energie je energie jaderná. Všechny ostatní formy energie vznikly transformací - přeměnou jaderné energie v energie jiného druhu nebo jiné formy. Platí zákon zachování hmotnosti a energie definovaný Albertem Einsteinem: E = m . c2 V uvedeném vztahu m je hmotnost (kg) a c je rychlost světla ve vakuu (3 . 108 m . s-1). Tento vztah uvádí nejvyšší možné množství energie, které vznikne přeměnou hmoty v záření při tzv. anihilaci. V soustavě SI je jednotkou energie 1 J (joule). V technické praxi jsou rozlišovány především následující druhy energie: a) - mechanická energie - projevem působení tohoto druhu energie je pohyb hmoty po určité dráze, pak se jedná o energii kinetickou, nebo určitá poloha hmoty k jiné zvolené poloze (např. zemskému povrchu) a pak se jedná o energii polohovou - potenciální. b) - tepelná energie - projevuje se pohybem stavebních částic hmoty - atomů a molekul. c) - elektrická energie - projevuje se pohybem elektronů. d) - jaderná energie - uvolňuje se při slučování nebo štěpení jader atomů, projevuje se kinetickou energií elementárních částic a energií záření. e) - energie pole - je projevem změn pole elektrického, elektromagnetického nebo gravitačního. f) - chemická energie - projevuje se uvolněním nebo spotřebou tepla při vzniku nových chemických vazeb mezi atomy nebo molekulami. g) - energie záření - projevuje se přenosem energie fotony - elektromagnetickým zářením určité frekvence. h) - větrná energie - jejím projevem je pohyb vzdušných mas - proudění vzduchu. i) - vodní energie - jejím projevem je pohyb proudící vody, resp. potenciální energie vody v přehradní nádrži. j) - tlaková energie - jejím projevem je např. schopnost stlačeného plynu nebo páry či kapaliny o určitém hydrostatickém tlaku vykonávat práci. Forma energie je určena druhem energie a nositelem energie. Někdy je také hovořeno o určité formě energie jako o zdroji některého z uvedených druhů energie. Například fosilní nebo recentní paliva jsou zdrojem energie chemické, teplo ale zůstává určitým druhem energie. Nositelem energie může být např. kapalná voda, vodní pára, plyny a jiné látky. Energie elektrická a energie pole jsou současně druhem i formou energie - v tomto směru není v praxi jednota v pojmech „druh energie“ a „forma energie“ - oba pojmy jsou často zaměňovány. Energetické zdroje se obvykle nevyužívají přímo, ale energie zdroje je přeměňována transformována - na vhodnější, lépe využitelnou formu energie.
64
Volba vhodného druhu, formy a nositele energie je závislá na dostupných zdrojích energie, jejich velikosti a technických možnostech jejich využití. To je pak spolu s technickoekonomickým rozborem východiskem pro stanovení energetické koncepce organizační jednotky - státu, města, podniku a pod. 4.2
Energetické názvosloví a základní pojmy
Energetika - vědní obor sdružující několik vědních a technických disciplin zabývajících se těžbou energetických surovin a jejich úpravou, výrobou a přeměnami energie, dopravou, dodávkami a rozvodem energií, využitím a spotřebou všech druhů a forem energií. Zároveň je odvětvím národního hospodářství zabývajícím se hospodárným využíváním všech zdrojů a zásob energie a jejich rozvojem. Zpracovává energetické bilance státu a koncepce jejich zabezpečení. Energetická bilance - přehled zdrojů, spotřeb a ztrát energií za určité časové období ve srovnatelných jednotkách. Jsou zpracovávány energetické bilance zpravidla krátkodobé roční, střednědobé na období cca 5 let a výhledové na období 10 a více let. V technické praxi jsou zpracovávány energetické bilance výrob a dílčích procesů, jednotlivých technologických operací. Energetické bilance jsou také zpracovávány na jednotkové množství zpracovávané suroviny nebo výrobku (J/kg, kJ/t, kWh/t aj.), dále na šarži (dávku, vsádku) u diskontinuálních (přetržitých) výrob (kJ/d, kWh/d), případně jsou bilancovány spotřeby energie pro určitou výrobnu nebo výrobní operaci za časovou jednotku u kontinuálních (nepřetržitých) výrob (J/h, kWh/h aj.). Energetické bilance jsou základem pro plánování spotřeb energií, dimenzování kapacity rozvodných sítí energií, stanovení výkonů zařízení zajišťujících transformaci energií apod. Energetické hospodářství - je odvětvím národního hospodářství, které se zabývá problematikou ekonomického získávání a využívání všech druhů energií. Energetická zařízení - jedná se obecně o technická zařízení k těžbě a úpravě energetických surovin, výrobě, přeměnám, rozvodu a spotřebě energií. Jejich hlavní součástí jsou energetické stroje (viz dále). Energetické stroje - zajišťují přeměny přírodních forem energií na využitelné formy energií a transformace energií. Energetické stroje jsou členěny na: - generátory - topeniště, kotle (parní generátory), plynové generátory, pece, MHD generátory, palivové články, termoelektrické a termoiontové generátory, - hnací stroje - parní stroje pístové a parní turbíny, plynové a expanzní turbíny, spalovací motory, vodní turbíny), větrné motory, b) sekundární stroje - generátory - dynama, alternátory, stroje na stlačování plynů, vývěvy, chladící stroje, čerpadla - hnací stroje - elektromotory, pneumatické motory, hydraulické motory (hydraulické pohony - pracovní kapalinou je voda nebo olej), - měniče parametrů - transformátory, měniče a usměrňovače elektřiny, výměníky tepla, mechanická převodová zařízení. a) primární stroje:
65
Energetická soustava Je souhrnem energetických výroben a energetických zařízení na určeném území (např. státu). Může mít charakter mezinárodní, národní nebo lokální. Součástí energetických soustav jsou soustavy elektrizační, teplárenské, plynárenské a vodohospodářské. Energetická výrobna Energetickou výrobnou je rozuměno technologické zařízení a jeho příslušenství zajišťující přeměnu - transformaci energií. Např. výtopna, teplárna, elektrárna zajišťují transformaci chemické energie obsažené v palivu na energii tepelnou i elektrickou. Jmenovitý výkon energetického stroje Jedná se o maximální výrobcem zaručený výkon stroje (např. v kW, MW) , který může stroj trvale poskytovat při dodržení předem stanovených základních parametrů. Instalovaný výkon Je součtem jmenovitých výkonů jednotlivých instalovaných energetických strojů ve srovnatelných jednotkách (kW, MW). Kromě toho je rozlišován výkon dosažitelný, pohotový a ekonomický. Diagram zatížení Vyjadřuje časové využití instalovaného výkonu energetického stroje, energetické výrobny nebo energetické soustavy. V diagramu jsou rozlišována pásma základního, středního a špičkového zatížení. Zatížení energetických soustav je proměnné v průběhu dne, ale také dle ročních období. Doba využití (fond pracovní doby) Je časem provozu energetického zařízení za určité období vyjádřený např. v hodinách za den, měsíc nebo rok. Často je vyjadřován v % jako poměr doby využití ku kalendářnímu fondu. Doba využití instalovaného a maximálního dosaženého výkonu je důležitým parametrem vypovídajícím o hospodárnosti provozu instalovaných energetických, ale i jiných technologických zařízení. Doba energetické návratnosti EPT (energy payback time) Jedná se o parametr, který uvádí, za jakou dobu vyrobí energetická výrobna stejné množství energie pro vnější odběratele, jako bylo celkem vynaloženo na její stavbu, provoz za celou dobu životnosti a úplnou likvidaci. Pro srovnání je EPT: - uhelné nebo jaderné elektrárny 3 – 4 měsíce (životnost do 30 let) - větrné elektrárny 8 – 16 měsíců (životnost do 15 let) - fotočlánků (ve stř. Evropě) 4 – 12 let (životnost cca 15 - 20 let) Parametr energetické výkonnosti – výtěžný poměr HR (harvest ratio) Uvádí, kolikrát více energie za dobu životnosti energetický zdroj vyrobí, než bylo vynaloženo na jeho stavbu, celou dobu provozování a úplnou likvidaci po skončení jeho životnosti. Pro srovnání je HR: - uhelné nebo jaderné elektrárny 120 – 140 x - větrné elektrárny 12 – 30 x - sluneční elektrárna s fotočlánky (ve stř. Evropě) 2 – 5 x
66
Zdroje energií: • neobnovitelné – základem je využívání fosilních paliv: - pevných - černé a hnědé uhlí, lignit, rašelina, - kapalných na bázi ropy - lehké a těžké topné oleje, - topných plynů – zemního plynu, karbonského plynu, propanu, propan-butanu, svítiplynu, koksárenského, kychtového a generátorového plynu, - jaderných – přírodního a obohaceného uranu, thoria (výhledově). • obnovitelné – základem je využívání energie: - vodní, - větrné, - solární – fotovoltaické články a sluneční kolektory, - geotermální, - biopaliv na bázi dřevin, slámy, bylin nebo travin, trusu zvířat apod., - bioplynů – skládkového plynu, kalového plynu, dřevoplynu apod., - mořského přílivu a odlivu, - mořských vln – příboje. 4.3
Spotřeba energie
Úroveň spotřeby a efektivnost využití energie se přímo promítá do ekonomické vyspělosti států a dosažitelné životní úrovně jejích obyvatel. Růst absolutní spotřeby energií všeho druhu byl zaznamenáván od počátku průmyslové revoluce, t.j. od konce 18. století. Nejvyšší růst absolutní spotřeby energií byl zaznamenáván po 2. světové válce. Po energetické a surovinové krizi, která v roce 1973 nejvíce zasáhla průmyslově rozvinuté země západní Evropy, Severní Ameriku a Japonsko, relativní spotřeba energií na jednotku hrubého domácího produktu (HDP) v těchto zemích víceméně stagnovala nebo začala klesat, absolutní meziroční přírůstky spotřeby energií se snížily. Tento trend se začal projevovat významněji i v zemích střední a východní Evropy až po roce 1990 v souvislosti se změnami politického systému, změnou vlastnických vztahů a restrukturalizací průmyslové základny. Přesto dosud platí, že tzv. „průmyslový sever“, kde žije cca 20 % obyvatelstva Země, spotřebovává kolem 80-ti % světových zdrojů energií. Spotřeba energií na osobu nebo jednotku HDP je v rozvinutých zemích světa několikanásobně vyšší, než v zemích rozvojových, kde se většina zásob energetických surovin nachází. Základní údaje o spotřebě energií ve světě a České republice uvádí následující tabulka: Tabulka č. 4.1:
Vývoj počtu obyvatel Země a spotřeby energie
Rok Počet obyvatel Země (109 osob) Spotřeba primární energie (109 tmp) Měrná spotřeba energie (tmp/osobu) Střední přírůstek spotřeby prim.en. (%)
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2020
2,5
3
3,6
4,4
5,2
6,1
8,4
2,6
4,4
7,2
11,4
14,6
18,3
28,7
1,08
1,46
2,0
2,6
2,8
3,0
3,4
5,4
5
4,7
2,5
2,3
2,3
67
4.4
Zdroje energie a zásoby energetických surovin
V současnosti zůstávají rozhodujícím zdrojem energie fosilní paliva - uhlí (černé uhlí a antracit, hnědé uhlí a lignit, hořlavé břidlice), paliva na bázi ropy a zemní plyn. V rozvinutých zemích, především v důsledku energetické a surovinové krize v začátku 70. let 20. století, požadavku diverzifikace zdrojů energií a určité míry nezávislosti na nákupech energií v zahraničí, získalo významnou pozici využití jaderné energie. Tyto trendy zasáhly jak Československo, tak v současnosti zasahují Českou republiku. V rozvojových zemích zůstává významným zdrojem energie dřevo. Zásoby fosilních paliv na Zemi, ať již se jedná o uhlí, zemní plyn nebo ropu, jsou postupně vyčerpávány. Při stávajících úrovních těžby a spotřeby je na základně dostupných informací odhadováno, že ověřené zásoby fosilních paliv budou vyčerpány v následujících časových horizontech: Tabulka č. 4.2:
Světové zásoby fosilních paliv svět
ČR
uhlí
200 - 300 let
zemní plyn ropa
70 - 100 let 30 - 40 let
h. uhlí 30 - 50 let č. uhlí do 85 let --do 75 let
Palivo - zásoby:
Poznámky (1) (2) (3)
(1) Těžba hnědého uhlí v ČR je předpokládána do 60 mil t/rok a černého uhlí do 20 mil t/rok. Dolní časová hranice platí pro případ platnosti tzv. ekologických limitů - pásem těžby v uhelných revírech schválených vládou ČR v roce 1991. (2) Těžba zemního plynu v ČR je ukončena. (3) Vlastní těžba ropy v ČR se pohybuje kolem 200 tis. tun/rok, což činí cca 2,0% roční spotřeby. Významné zvýšení roční těžby není předpokládáno. (4) Na území ČR je předpokládána existence ložisek tzv. břidlicového zemního plynu, např. v severovýchodních Čechách. Technologie těžby je s ohledem na hustotu osídlení v ČR a závislosti obcí na zdrojích podzemních vod z environmentálního hlediska problematická. Ropa Životnost ověřených světových zásob je při stávající úrovni těžby a spotřeby odhadována na 40 až 50 let. Největší zásoby ropy na pevnině jsou v zemích středního východu, především na Arabském poloostrově, dále na západní Sibiři, ve střední Asii, Aljašce a ve Venezuele. V šelfových mořích jsou největší zásoby v oblasti Severního moře, Mexického zálivu a při pobřeží jihovýchodní Asie. Je odhadováno, že potenciálně významná ložiska mohou být otevřena v Norském moři, při pobřeží Grónska a u jihovýchodního pobřeží Argentiny. Zásoby ropy v ČR jsou velmi malé hlavně na jihovýchodní Moravě jižně od Hodonína, ale i na střední Moravě u Kroměříže. Úroveň těžby je s ohledem na úroveň spotřeby nepatrná, pohybuje se dlouhodobě kolem 150 - 180 tis.t/rok a její významné zvýšení není předpokládáno. Celková spotřeba ropy v ČR se pohybuje kolem 7,50 mil. t/ročně jak pro potřeby výroby motorových aj. paliv tak petrochemie. Proto je ČR dlouhodobě odkázána na nákup ropy z Ruska přepravované ropovodem Družba. Zprovozněním ropovodu Ingoldstadt – Litvínov je také ropa pro ČR nakupována z arabských zemí středního východu. Tato ropa je
68
tankovými loděmi dovážena do terminálu v Janově, odkud ropovodem dopravována přes Alpy do SRN. Zemní plyn Životnost ověřených světových ložisek zemního plynu (natural gas) je odhadována při zachování stávajícího trendu růstu spotřeby na 75 - 100 let. Vůbec největší zásoby zemního plynu jsou v Rusku (cca 1/2 celosvětových zásob), hlavně na severozápadní Sibiři. Další ložiska významná pro zásobování evropského trhu jsou v Severním moři, na středním východě (Irán, Irák, Arabský poloostrov) a v severní Africe. Zemní plyn je dopravován do míst spotřeby dálkovými vysokotlakými plynovody s provozním tlakem až 10 MPa. Africký zemní plyn je do Evropy (Španělska, Francie, Belgie a V.Británie) dopravován zkapalněný tankovými loděmi. Technologicky není zvládnuto získávání metanu z hydrátů vyskytujících se v mořských sedimentech ve velkých hloubkách oceánů, např. při východním pobřeží USA. Toto je významný potenciální zdroj kvalitního zemního plynu pro budoucnost. Zásoby nejsou ověřeny, existují jen kvalifikované odhady. Těžba zemního plynu v ČR je ukončena. Některá z vyčerpaných ložisek jsou využívána nebo je připravováno jejich využití pouze jako podzemních zásobníků zemního plynu pro krytí špičkových odběrů z plynárenské sítě hlavně v zimních měsících. Omezená, ale k těžbě technologicky nepřipravená, jsou ložiska metanu provázející ložiska černého uhlí na Ostravsku (tzv. karbonský plyn). Proto je ČR zcela závislá na dodávkách zemního plynu ze zahraničí. Největším dodavatelem zemního plynu do ČR je Rusko. Od roku 1997 je plynárenská síť ČR napojena přes SRN na norská těžební pole v Severním moři. ČR zajišťuje transport zemního plynu z Ruska do střední a západní Evropy. V tomto ohledu je jednou z největších tranzitních zemí ZP na světě. Poplatky za tranzit zemního plynu kryjí část jeho tuzemské spotřeby. Uhlí Životnost ověřených světových zásob uhlí je odhadována na zhruba 200 - 300 let. Největší zásoby, především černého uhlí, jsou v USA, Jihoafrické republice, Austrálii, sibiřské části Ruska, Indii a Číně. V současnosti je kvalitní a levné černé uhlí dováženo do Evropy z Jihoafrické republiky a Austrálie. Vlastní těžitelné zásoby hnědého uhlí a lignitů jsou v ČR odhadovány na 30 - 50 let závisle na úrovni těžby a platnosti ekologických limitů těžby vyhlášených začátkem devadesátých let vládou ČR. Pokud by došlo k uvolnění takto vázaných zásob, prodloužila by se životnost těžitelných zásob cca o 30 let. Těžba černého uhlí v Nýřanské, ŽacléřskoSvatoňovické, Rosicko – Oslavanské pánvi a lignitů v Mydlovarské a Hodonínské pánvi byla z ekonomických důvodů zastavena nebo je v útlumu. Byla pozastavena těžba a otevření nového dolu Slaný ve Slánsko-Kladensko-Rakovnické pánvi. Obdobně bylo pozastaveno otevření dolu ve Frenštátu na jižním okraji Ostravsko-Karvínské pánve. S opětným otevřením těžby v utlumených revírech nebo novým zahájením těžby černého uhlí na Mělnicku zatím není v dohledné době uvažováno i když zásoby černého uhlí jsou v daných lokalitách relativně vysoké. Při momentální hladině cen je těžba nízkých nebo šikmo uložených uhelných slojí hlubinných dolů nerentabilní. Cena uhlí z dovozu (Polsko, Ukrajina) je nižší. Z uvedeného výčtu je patrné, že absolutní výše světových geologických zásob fosilních paliv je značně omezená. Z pohledu České republiky je situace v možnostech vlastní těžby fosilních paliv krajně nepříznivá. Rovněž geografické rozmístění zásob fosilních paliv na Zemi je značně nerovnoměrné. Rozhodující zásoby jsou často soustředěny v zemích s nepříliš stabilními politickými systémy, případně tranzit paliv je veden přes jejich území. Toto spolu
69
s časově nepříliš vzdáleným horizontem vyčerpání zásob fosilních paliv dostupných evropskému trhu nedává záruku plynulých, dlouhodobých a cenově stabilních dodávek. Při komplexním pohledu na vývoj problematiky fosilních paliv je nutno konstatovat, že tenčící se zásoby fosilních paliv, zejména ropy, nepochybně budou stále větším prostředkem k ekonomickým i politickým tlakům ze strany vlastníků jejich zdrojů. Část z nich se již v současnosti snaží výrazně investovat do zpracovatelského průmyslu v místě těžby a prodávat konečné produkty, nikoliv pouze energetické suroviny. Příkladem mohou být arabské státy a státy jihovýchodní Asie, které vedle finančních zdrojů mají navíc levnou pracovní sílu. Toto je tvrdou konkurencí pro tradiční průmyslové země Evropy včetně ČR. Úroveň saturace energetických potřeb hospodářství spolu se surovinovými zdroji, kde je situace obdobná, vždy významně ovlivňují produktivitu práce, tvorbu hrubého domácího produktu a tím životní úroveň. Z uvedeného výčtu je patrné, že je aktuální zabývat se v první řadě úsporami ve spotřebě energií všeho druhu a dále náhradou fosilních paliv jinými primárními zdroji energie. Svět se v nedaleké budoucnosti neobejde bez dalšího využívání či rozšiřování využití klasických zdrojů energií jako je energie vodní, ale i jaderná na bázi štěpných reakcí. Přitom musí být vyřešena vyšší energetická účinnost a zneškodňování vyhořelého paliva transmutací radioizotopů při současném zisku další využitelné tepelné energie. Tyto zdroje budou zřejmě během 50-ti let krýt největší část primárních zdrojů energie. S ohledem na vyčerpávající se zásoby fosilních paliv a trvalý růst jejich cen je nutno investovat do rozšířeného využívání obnovitelných zdrojů energií - energie větrné, solární, biomasy a bioplynů, geotermální energie, případně energie přílivu a příboje. Současná ekonomická nevýhodnost využití obnovitelných zdrojů energií (dlouhé doby návratnosti investic) bude růstem cen fosilních paliv postupně eliminována. 4.5
Využití fosilních paliv, cenové bariéry
Všechna uvedená fosilní paliva jsou ve světě, ale i v ČR využívána z více než 70-ti % jen pro energetické účely. Výrazně převažuje jejich užití jako paliv pro výrobu elektřiny, tepla pro vytápění, přípravu teplé užitkové vody a vaření. Část z nich je surovinami pro výrobu motorových paliv do spalovacích motorů všech typů případně kapalných paliv (lehký topný olej - LTO nebo těžký mazutový olej - TMO), energoplynů nebo koksu. Méně než 30% ropy je surovinou pro chemické zpracování, kde je užitná hodnota výrobků a tím ekonomické zhodnocení výchozí suroviny významně vyšší. Právě tito spotřebitelé fosilních paliv, a ropy především, si budou moci dovolit platit vyšší ceny za vstupní suroviny, než je obvyklé v energetice. Lze očekávat, že ceny fosilních paliv budou s vyčerpáváním zásob trvale vzrůstat. Proto jejich využitelnost či zpracovatelnost v některých odvětvích, zejména energetice a dopravě, může být ekonomicky neúnosná dříve, než odpovídá výše uvedeným časovým limitům vyčerpání zásob. Tento trend nejvíce zasáhne výrobu motorových paliv, zejména pro tryskové letecké motory. Ty mají měrnou spotřebu paliva na tunokilometr nebo osobokilometr nejvyšší (přibližně 3 - 5x vyšší proti např. silničním motorovým vozidlům) a jejich relativní podíl na ceně přepravy je vysoký. Odhaduje se, že do roku 2030 vzroste cena kerosinu 5x. Je předpokládáno, že perspektivním leteckým palivem bude kapalný vodík. Proto se již v posledních deseti letech známé letecké konstruktérské firmy (Tupolev, Daimler-Benz Aerospace, Dornier, Airbus Aerospace aj.) a firmy se zkušenostmi v kryogenní technice ( např. Linde A.G.) zabývají vývojem motorů, palivových nádrží a letounů poháněných vodíkem. Již v roce 1988 byl zkoušen vodíkový tryskový motor na běžném dopravním letounu TU-154 (vzlétl pod typovým označením TU-155). Výhodou spalovacích turbin a jimi 70
poháněných turbodmychadlových leteckých motorů je jejich poměrně jednoduchá adaptace na vodík. Spočívá hlavně v úpravě počtu směšovacích trysek nebo zkrácení spalovacích komor pro vyšší rychlost hoření vodíku a nutnost jeho dokonalého směšování se spalovacím vzduchem. Jelikož je v letecké technice vždy předpokládáno použití kapalného vodíku, je větším problémem konstrukce a umístění palivových nádrží, jejichž provozní teplota musí být -250o C při provozním tlaku 1,2 MPa. Jejich umístění do křídel, jak je nyní u letadel obvyklé, nepřipadá v úvahu. To vyvolává potřebu zásadních změn v konstrukci draku letadel. Palivové systémy musí být navíc doplněny o tepelné výměníky - výparníky pro zplynění kapalného vodíku. Tím se může dle stávajících technologických znalostí významně snížit užitečná nosnost nebo dolet letadel. Analogický vývoj cen a dostupnosti motorových paliv lze následně očekávat i v případě silničních motorových vozidel. Výrazně komplikovanější situace je v konstrukci pístových zážehových spalovacích motorů na vodík. Zde je zajištění optimálních podmínek hoření mnohem složitější. Hlavní problémy spočívají v mimořádné rychlosti hoření a výbušnosti směsi vodíku se vzduchem v rozmezí koncentrací od 4 do 74 % obj., což vyžaduje upravený systém směšování paliva se vzduchem a časování zážehu. Odlišný průběh tlaku ve válci během hoření vyžaduje práci s chudou směsí, nejlépe v přeplňovaných motorech pro zvýšení termické účinnosti a pod. Proto již v současnosti jsou předními světovými konstrukčními kancelářemi a výrobci motorů vyvíjeny vodíkové čtyřtaktní pístové spalovací motory. Již v současnosti jsou k dispozici funkční zkušební motory na vodík. V tomto směru jsou nejdále firmy BMW, která vodíkový motor zkouší v modelu 735, General Motors a Hyundai Motor Company, která zkouší šetnáctiventilový čtyřválcový vodíkový motor 2,0 DOHC. Vodíkový motor je vyvíjen rovněž v ČR v rámci projektu s názvem „Pístový motor pro spalování vodíku - pohonná jednotka budoucnosti“ (registrováno GA ČR, projekt č. 101/97/K053). Velkou důležitost mají pro dopravní techniku palivové články. V nich je stejnosměrná elektřina získávána elektrochemickou cestou spalováním plynných paliv včetně čistého vodíku se vzdušným kyslíkem. Mobilní zařízení jsou v automobilech v provozních podmínkách již zkoušena, širší praktické nasazení se sériovou výrobou je očekáváno kolem roku 2010. Samostatnou kapitolou ve výčtu nových zdrojů energií budoucnosti např. zůstává zvládnutí a průmyslové využití termojaderných reakcí (jaderné fůze) nebo využití solární energie mimo povrch Země. Nedostatek a růst cen primárních zdrojů energií si vynutí vyšší investice do výzkumu a vývoje nových energetických systémů. Z uvedeného textu je patrné, že není příliš vzdálena doba, kdy budou využity nové „nosiče“ a zároveň akumulátory snadno použitelné energie. Tuto úlohu může, vedle elektrických akumulátorů různé konstrukce s dosud silně omezenou kapacitou, postupně převzít vodík. Jeho výhodou jsou fakticky nevyčerpatelné zásoby, vysoká hustota energie (vztaženo na jednotku hmotnosti) a to 121 kJ.g-1 (metan má pouze 50,3 kJ.g-1), značná míra nezávadnosti pro životní prostředí, nejedovatost, dobrá transportovatelnost a skladovatelnost. Velmi aktuální se použití vodíku zřejmě stane pro dopravní systémy s nástupem tzv. „poropného věku“. Proto je vhodné již nyní střízlivě a reálně uvažovat o technicko – technologicky a ekonomicky schůdných variantách získávání a praktického využití vodíku. V posledních letech získávají na významu obnovitelné - alternativní - zdroje energií, k nimž vedle dřevin náleží energetické plodiny (např. olejniny, cukrová třtina, sláma obilovin a řepky, výhledově např. rychle rostoucí dřeviny a traviny), energie solární, využití energie větru, energie mořského přílivu, odlivu, vln a příboje, tepelné energie oceánů, geotermální energie, využívání bioplynů (např. ze skládek a ČOV) a vodní energie.
71
Využití vodní energie je tradičně ve všech zemích věnována pozornost, neboť je považována za jeden z relativně nejlevnějších zdrojů pro zisk mechanické a zejména elektrické energie. Vysoké investiční náklady jsou vyváženy nízkými provozními náklady při dlouhé životnosti a vysoké účinnosti technologického zařízení. Především na vodních tocích s velkým a rovnoměrným průtokem během roku, často napájených vodou z rozsáhlého povodí nebo ledovců, jsou již vystavěny nebo se připravuje stavba přehradních nádrží s hydroelektrárnami. Rozvoj stavebních technologií dovoluje stavby vodních děl i v extrémních geologických a klimatických podmínkách (bažinaté tropické oblasti, oblasti subpolární a polární s trvale zmrzlou půdou). Pro krytí špičkových spotřeb elektřiny jsou budovány přečerpávací (akumulační) vodní elektrárny. Ty zároveň slouží i ke zrovnoměrnění provozu tepelných a jaderných elektráren, kde rychlé změny výkonu jsou problematické. V zemích Evropské unie je požadováno, aby minimálně 10 % spotřeby energií jednotlivých zemí bylo kryto z obnovitelných zdrojů. Rozvojové programy EU stimulují investiční činnost, tak aby tento podíl vzrostl v polovině 21. století asi na 1/3. Významná jsou v tomto směru i zákonná regulační opatření v oblasti uzákonění % výkupních cen energií z obnovitelných zdrojů vůči cenám prodeje energií spotřebiteli. Toto bylo uplatněno v SRN. 4.6
Využití a ztráty energií
Primární zdroje energií nejsou v naprosté většině případů vhodné k přímému využití v nich obsažená energie musí být transformována na energii zušlechtěnou. Čím ušlechtilejší forma energie je získána, tím je její cena vyšší. Za nejušlechtilejší formu energie je považována elektřina, k ušlechtilým zdrojům energie náleží topné plyny (např. zemní plyn, propanbutan, svítiplyn), motorová paliva (např. automobilové benziny, motorová nafta, letecký petrolej) a topné oleje (např. LTO - lehký topný olej nebo TMO - těžký mazutový olej). Při využití primárních zdrojů energií (fosilních paliv a alternativních paliv) je v prvním kroku získávána spalováním v kotlích energie tepelná. Spalováním jsou získávány ve spalovací komoře horké spaliny, které v trubkovnici kotle předávají teplo vodě. Tak je získávána horká voda nebo lépe sytá či přehřátá vodní pára. Tepelná energie v těchto formách je využívána pro pohon parních turbín, vytápění nebo přípravu teplé užitkové vody a technologické účely (např. k ohřevu nebo odpařování tekutin). V případě spalovacích motorů (pístových spalovacích motorů nebo plynových turbín) je získávána z motorových paliv tepelná energie ve formě horkých stlačených spalin. V jaderných reaktorech je získávána v primárním okruhu tepelná energie ve formě horké vody (lehké nebo těžké vody v horkovodních reaktorech), syté vodní páry (ve varných reaktorech) horkého plynu (CO2 v reaktorech chlazených plynem) nebo horké taveniny kovu (v reaktorech chlazených Na). V sekundárním okruhu jaderné elektrárny je tepelná energie teplosměnného média z primárního okruhu předávána ve výměnících tepla vodě a je produkována sytá vodní pára. Tepelná a tlaková energie páry v parních turbínách nebo tepelná a tlaková energie horkých spalin ve spalovacích motorech je transformována na energii mechanickou. Uvedené tepelné motory buď pohánějí dopravní prostředky nebo pohánějí alternátory pro výrobu třífázového střídavého elektrického proudu, výjimečně dynama pro výrobu stejnosměrného elektrického proudu. Všechny výše uvedené transformace primární energie na konečnou formu užívané energie jsou spojeny se ztrátami - čím je větší počet transformací, tím je více energetických ztrát. Podle statistiky světové energetické konfederace (WEC) dosahují celkové ztráty primárních energií při přeměnách až 60 %! Ze zbývajících 40 % energie jsou cca dvě třetiny využívány ve formě tepla ( např. pro vytápění, ohřev teplé užitkové vody, pohony dopravních
72
prostředků a technologické procesy - chemické syntézy a rozklady, výpaly, kalcinace a sušení surovin, polotovarů nebo výrobků, krakování, rektifikace, destilace ropy a ropných frakcí, odpařování roztoku sacharosy, ovocných moštů a mléka aj.) a jedna třetina energie ve formě elektřiny pro osvětlování, pohony strojů, účely technologické (elektrolytické a elektrotermické procesy) a další. Energetické ztráty v rozvodných sítích elektřiny dosahují cca 10 %. Z uvedeného výčtu ztrát je patrné, že systémy hospodaření s energiemi nejsou zdaleka dokonalé. Cestou ke snížení měrné spotřeby energií, vztažené např. na 1,- Kč HDP (hrubého domácího produktu) nebo 1,0 t výrobku. Toho lze dosáhnout např.: - zdokonalením účinnosti transformace, přenosu a sdílení energií všech forem, - zkrácením rozvodných sítí s minimalizací ztrát energií do okolí (např. z rozvodů tepla a stavebních objektů), - optimalizací technologických režimů a vývoj nových technologických postupů zejména pro energeticky náročné výroby (výroba a zpracování surového železa a oceli, výroba keramiky a cihlářského zboří, výroba cementu a stavebních hmot), - zdokonaleným řízení technologických procesů (měření regulace a automatizace s využitím výpočetní techniky), - využíváním tzv. nízkopotenciálních zdrojů tepla (pomocí rekuperačních výměníků tepla nebo tepelných čerpadel). 4.7
Rozdělení a vlastnosti paliv
Pro zajištění srovnatelnosti údajů o energetické spotřebě, spotřebě paliv a hustotě energie obsažené v palivech (kJ.kg-1) jsou v praxi zavedeny následující pojmy charakterizující jejich energetický obsah: - výhřevnost Qn - množství tepla, které se uvolní dokonalým spálením 1 kg určitého paliva při ochlazení spalin na teplotu 20 oC bez kondenzace vzniklé vodní páry. - spalné teplo Qv - množství tepla, které se uvolní dokonalým spálením 1 kg určitého paliva při ochlazení spalin na teplotu 20 oC a zkondenzování vzniklých vodních par. Spalné teplo je proto vždy větší než výhřevnost právě o kondenzační teplo vodních par, které během hoření - dokonalého spálení paliva vznikly. - tmp - tuna měrného paliva je definována jako hmotnost paliva, které má výhřevnost Qn mp = 29,3 MJ.kg-1. Jednotka tmp je používána pro porovnávání všech druhů paliv (tuhých, kapalných, plynných, jaderných). Pro srovnání lze uvést, že tuto výhřevnost má kvalitní černé uhlí. Tabulka č. 4.3: Druh paliva
Průměrné vlastnosti paliv Měrná hmotnost (kg.m-3)
černé uhlí Hnědé uhlí Benzin automobilový Kerosin (petrolej) nafta motorová lehký topný olej (LTO) těžký topný olej (TMO) dřevo vzduchosuché Poznámky k tabulce:
680 – 780 780 – 830 810 – 860 850 – 950 900 – 1100 pod 900
Spalné teplo MJ.kg-1 34 – 37 8,5 - 17 46 – 49 46 – 49 45 – 49 44 – 46 42 – 46 19 - 21,5
Výhřevnost MJ.kg-1 31 - 34,5 10 - 14,5 43 - 44,8 43 – 44 42,5 – 44 40,7 – 43 39,5 - 41,5 17 - 18,5
73
a) Rozdíly ve výhřevnosti fosilních tuhých a kapalných paliv jsou způsobeny chemickým složením (obsahem hořlaviny - C, CxHy, S, CO, H2 - t.j. látek schopných oxidace - exotermní chemické reakce), vlhkostí a obsahem inertních - balastních složek (popelovin, N2, CO2). Černá uhlí včetně antracitu v těženém stavu zpravidla obsahují 1 - 6 % vody, 3 - 10% popelovin a pod 0,2 % síry. Hnědá uhlí a lignity v těženém stavu zpravidla obsahují 17 - 45 % vody, 10 - 25 % popelovin a 0,5 - 3,5 % síry. Obsah prchavé hořlaviny stoupá od antracitu, kde je pod 10 %, až k 50 - 60 % u lignitů. b) Kapalná paliva jsou převážně získávána frakční destilací a termickým rozkladem získaných složek ropy. Podstatně menší část kapalných paliv je vyráběna z uhlí. Podle chemického složení - zastoupení převažujících uhlovodíků - jsou rozlišovány ropy: - parafinické, - naftenické, - aromatické, - asfyktické, - směsné. Dle obsahu síry jsou děleny na ropy: - sirné, - bezsirné. V České republice je převážně zpracovávána ropa sirná se zvýšeným obsahem parafinu a asfaltických látek pocházející z Ruska - dolního Povolží a západní Sibiře. Dopravována je ropovodem „Družba“. Ropovodem „Ingoldstadt“ je do Litvínova a Kralup nad Vltavou také dopravována ropa z terminálu v Janově pocházející z arabských zemí. Jedná se o nízkosirnatou parafinickou ropu. c) U položky vzduchosuché dřevo je nutno připomenout, že obsah vody v tomto dřevě sušeném na vzduchu je mezi 10 - 20 % hm. Srovnatelné výhřevnosti a spalná tepla jako suché dřevo vykazují i ostatní suché přírodní materiály, kde je základní složkou celulóza (sláma, traviny, slupky semen aj.). U čerstvě pokácených dřevin se obsah vody pohybuje mezi 40 - 60 % hm. dle druhu dřeviny a ročního období (např. dubové dřevo získané z čerstvě pokácených stromů mimo vegetační období obsahuje i pod 40 % hm. vody). K nejušlechtilejším zdrojům energie náleží plynná paliva. Podle výhřevnosti Qn jsou dle ČSN rozlišovány následující topné plyny: - plyny chudé málo výhřevné - Qn ≤ 8,0 MJ.m-3 (generátorový a kychtový plyn) - plyny středně výhřevné - Qn = 8,0 - 12,5 MJ.m-3 (vodní a koksárenský plyn) - plyny velmi výhřevné - Qn = 12,5 - 20,5 MJ.m-3 (bioplyny) - plyny velmi vysoce výhřevné - Qn ≥ 20,5 MJ.m-3 (svítiplyn, zemní plyn) Podle způsobu získávání jsou topné plyny rozdělovány na: - topné plyny získávané úplným zplyňováním paliv (generátorový plyn, svítiplyn) - topné plyny vyrobené karbonizací paliv (koksárenský plyn) - topné plyny přírodní (zemní plyn) - topné plyny vyrobené z přírodních plynů či kapalných paliv - topné plyny upravené karburací, - topné plyny zkapalněné (propan, butan nebo jejich směs) - topné plyny odpadní (bioplyny)
74
Objem technických plynů včetně topných plynů je vztahován na tzv. normální podmínky, t.j. tlak 0,1 MPa a teplotu 0 oC. Objem plynů za těchto podmínek bývá v technické literatuře vyjadřován v Nm3. Tyto rozdíly v kvalitě paliv vedou k rozdílům v úpravnických procesech a hlavně konstrukci topenišť spalovacích zařízení, kotlů, odškvárovacích, odpopílkovacích, odsiřovacích aj. zařízení pro jejich energetické nebo chemické využití. Otevřený a uzavřený oběh
4.8
Tepelné stroje, v nichž je transformována energie, zpravidla nepracují samostatně. Jsou spojeny se zařízeními, která upraví stavové veličiny pracovní látky na hodnoty nejvhodnější pro transformaci energie v tepelném stroji. Častým případem je transformace energie tepelné v mechanickou. Pracovní látkou v tepelných strojích jsou běžně spaliny motorového paliva se vzduchem (u pístových spalovacích motorů a spalovacích turbín) nebo vodní pára (u pístových parních strojů nebo parních turbín). Pokud projde pracovní látka pouze jednou tepelným strojem, jedná se o oběh otevřený (u spalovacích motorů). Pokud pracovní látka v systému cirkuluje a po změně parametrů se vrací zpět do tepelného stroje, jedná se o uzavřený oběh – viz schéma:
5 3
6
7
2
9 4 1
8 10
11 13
12 Schéma uzavřeného tepelného okruhu parní kondenzační elektrárny 1 – chladná voda, 2 – napájecí čerpadlo, 3 – vstup napájecí vody do kotle, 4 – vstup paliva se vzduchem do topeniště kotle, 5 – odvod spalin, 6 – kotel (parní generátor), 7 – přívod páry do turbíny, 8 – parní turbína, 9 – alternátor pro výrobu elektřiny, 10 – přívod chladící vody, 11 – povrchový kondenzátor, 12 - odtok otelené vody, 13 – přívod nové upravené vody pro krytí ztrát vody v oběhu
75
T
530 oC Izobara 16 MPa 2
1
4
3
5 - 0,005 MPa
S T – S diagram uzavřeného tepelného okruhu parní kondenzační elektrárny (př.) 1–2 – ohřev napájecí vody k bodu varu za tlaku 16 MPa, 2-3 – odpar vody – vznik syté páry, 3-4 - přehřívání páry z bodu varu 320 oC na 530 oC, 4-5 – expanze páry v parní turbíně z tlaku 16 MPa na tlak v kondenzátoru 0,005 MPa spojená s ochlazením na 35 oC, 5-1- kondenzace páry v kondenzátoru, T - absolutní teplota pracovního média (vody nebo vodní páry), S entropie V parní kondenzační elektrárně je demineralizovaná a odplyněná napájecí voda dávkována napájecím čerpadlem (napáječkou) přes předehřívač do rozváděcího bubnu trubkovnice kotle. V trubkovnici je zahřívána k bodu varu a vznikající pára proudí trubkovnicí do parního bubnu, kde se oddělí sytá vodní pára od kapalné vody. Sytá pára je zaváděna do přehříváku páry, kde je dále zvýšena její teplota a tím energetický obsah. Pracovní tlaky v moderních parních kotlích přesahují 20 MPa, teploty přehřáté páry bývají kolem 550 oC. Přehřátá vodní pára je vedena zpravidla do vícestupňové parní turbíny. Zde expanduje, snižuje se její tlak a teplota, část tepelné energie páry je transformována na energii mechanickou, která je dále transformována v generátoru na energii elektrickou. Moderní parní turbíny mají několik odběrů páry (cca 3-10), která se opět uvádí zpět do mezipřehříváků. V nich se opět pára přehřívá, zvyšuje se její energetický obsah a vrací se zpět k expanzi do dalšího stupně parní turbíny. Tím se zvyšuje celková energetická účinnost parní kondenzační elektrárny o 2– 3 %. Energetická účinnost kondenzačních parních elektráren v těchto případech dosahuje cca 35%. Pokud pracují kotle při tzv. nadkritických parametrech, je dosažitelná energetická účinnost 45%. Dosažitelná termická účinnost je limitována hlavně tlakem a teplotou přehřáté páry na výstupu z kotle. Hlavní bariérou je mechanická pevnost konstrukčních dílů přehříváku kotle za daného tlaku a teploty. Dále je termická účinnost limitována tlakem a teplotou kondenzace páry v kondenzátoru. Toto je omezeno výkonem vývěv a teplotou chladící vody na vstupu do kondenzátoru. Celý popsaný uzavřený oběh parní kondenzační elektrárny má následující ztráty: - komínovou ztrátu – teplo unášené spalinami z kotle do okolní atmosféry, - nedopal – zbytky nespáleného paliva (uhlí) obsažené ve škváře a popílku, - ztráty tepla odvodem horké škváry z topeniště kotle,
76
- ztráty tepla odluhem kotle – vodou odpouštěnou z kotle pro potlačení inkrustace zbytkovými solemi z napájecí vody, - vyzařování tepla do okolí ze všech konstrukčních dílů a potrubí pracujících s horkými médii při limitované účinnosti tepelně izolačních materiálů, - teplo odváděné mazacími a chladícími oleji turbin, čerpadel a napáječek, ventilátorů aj. zařízení, - limitovaná účinnost všech transformací energií, - kondenzační teplo páry odváděné z kondenzátoru oteplenou vodou do chladících věží tento díl ztrát je relativně nejvyšší. 4.9
Tepelné energetické výrobny a rozvod tepla
V principu jsou tepelnými energetickými výrobnami rozuměna všechna zařízení, kde dochází k transformaci chemické energie obsažené v palivu na energii tepelnou. Tepelná energie může být jediným konečným produktem. V užším slova smyslu jsou tepelnými energetickými výrobnami rozuměny: •
Výtopny, blokové kotelny, etážové kotle aj. Každý kotel je konstruován pro určitý druh paliva. Výtopny spalují uhlí, koks, dřevo, slámu aj. tuhá paliva, dále topné plyny (zpravidla zemní plyn) a lehké nebo těžké topné oleje (LTO, TMO) ve směsi se vzduchem. Vznikající horké spaliny předávají teplo teplonosné látce, kterou je v naprosté většině případů voda. Z kotle je tepelná energie odváděna v podobě horké vody nebo páry. Účinnost výtopen je dána především konstrukcí kotlů. Běžně se pohybuje kolem 90%, u kondenzačních plynových kotlů se zpravidla blíží 95%. Měrná spotřeba paliva u výtopen se pohybuje kolem 38 kg m.p./GJ v páře nebo horké vodě. V USA a Kanadě byla v 80. letech minulého století projekčně rozpracována realizace jaderných výtopen pro potřeby velkých měst, městských a průmyslových aglomerací. Z ekonomických a ekologických důvodů nebyla výstavba zatím nikde uskutečněna. Rozvody tepla 22 Horká voda (cca 90 – 180 oC) nebo pára (cca 200 oC) je dodávána konečným spotřebitelům sítí teplovodů – izolovaných potrubí horké vody nebo parovodů umístěných volně v zemi, teplovodných kanálech nebo kolektorech. Teplovodní a parovodní sítě velkých výkonů (řádově MW) bývají umístěny nad zemí. Všechny rozvody tepla musí mít vícevrstvou tepelnou isolaci s isolací proti pronikání vody. Tepelná isolace je provedena s ohledem na teplotní stabilitu isolačních hmot: - pro média do teploty 100 oC pěnovým polyuretanem nebo polystyrénem. Svrchní isolace proti vlhkosti bývá z fólií nebo hadic z PVC , případně jiných termoplastů (PE, PP). - pro teploty médií nad 100 oC jsou používány rohože zhotovené ze skelné, čedičové nebo struskové vaty. Vnější isolace proti vlhkosti bývá většinou provedena z ocelového pozinkovaného plechu nebo hliníkového plechu. Tím je zajištěna minimalizace ztrát do okolí. Rozvody tepla mívají primární okruh mezi zdrojem tepla (energetickou výrobnou) a výměníkovými stanicemi. Sekundární okruh rozvodů
Systémy centrálního zásobování teplem a teplou užitkovou vodou jsou velmi efektivní v zástavbě činžovních domů, škol, úřadů, kulturních zařízení, průmyslových zón a objektů. To platí zejména za předpokladu, že celková měrná spotřeba tepla je na úrovni cca 25 MWt . km-2. Čím je měrná spotřeba tepla v území nižší, tím vyšší jsou investiční a provozní náklady na rozvod tepelné energie. 22
77
tepla zahrnuje rozvody tepla pro vytápění a rozvody teplé užitkové vody k jednotlivým odběratelům. Kombinované zdroje – teplárny, kogenerační jednotky V kombinovaných zdrojích tepla je současně vyráběno teplo a elektřina (KVET). Základní uspořádání je obdobné kondenzačním elektrárnám (viz. kapitola 3.8.) s tím rozdílem, že v nich nejsou instalovány výhradně kondenzační, ale převážně protitlaké parní turbíny. Pára s tlakem zpravidla do 1 MPa je odváděna z turbíny buď přímo parovodem ke spotřebiteli nebo kondenzuje ve výměníku tepla (zařazen v místě kondenzátoru), kde ohřívá vodu. Ke spotřebiteli je odváděna voda s teplotou cca 90 – 160 oC. •
V teplárnách je spalováno zpravidla uhlí, zemní plyn nebo topné oleje. Část vyrobené vodní páry je používána pro výrobu elektřiny v turbogenerátorech (zpravidla 40-60%), část energie je rozváděna odběratelům teplovody nebo parovody. Energetická účinnost tepláren se pohybuje kolem 60%. Zásadní výhodou je využití kondenzačního tepla páry odebírané z turbíny! V podmínkách ČR teplárny zajišťují menší část produkce elektřiny, odhadem 10 %. Ve vyspělých zemích bývá tento podíl i několikanásobně vyšší. Kogenerační jednotky pracující s pístovými spalovacími motory nebo plynovými turbínami dodávají současně elektřinu a teplo, zpravidla v podobě teplé vody (cca 90 oC). Jejich celková energetická účinnost se pohybuje do 85% - z toho cca 1/3 energie je dodávána ve formě elektřiny a 2/3 ve formě tepelné energie. V ČR jsou kogenerační jednotky doplňkovým zdrojem tepla a elektřiny, do veřejné sítě dodávají jen několik procent z celkové potřeby. Výjimečná situace je v Nizozemsku, kde dodávají cca 80 % spotřeby elektřiny. Teplo je využíváno pro vytápění skleníků pro pěstování rychlené zeleniny a řezaných květin. Zásadním problémem kombinovaných zdrojů energie je zajištění rovnoměrného odběru tepla v průběhu celého roku. Proto jsou teplárny budovány především v průmyslových podnicích, zejména chemického průmyslu, kde je tento požadavek snadno splnitelný. V menší míře jsou teplárny stavěny ve větších městech s koncentrací průmyslové výroby náročné na zdroje tepla. S výhodou jsou spojovány teplárny do bloků se spalovnami odpadů, kde je aktuální rovněž plynulý odběr tepelné energie. Kombinované zdroje tepla se spalovnami bývají proto s výhodou umístěny v intravilánu měst a v městských aglomeracích. Rozvody tepla a elektřiny pak paprskovitě směřují k odběratelům – všechny rozvody jsou v tomto případě nejkratší. Proto jsou investičně, ale i provozně nejlevnější, neboť také jsou minimální ztráty energií v rozvodech. Rovněž trasy svozu odpadů jsou krátké, přepravní náklady takovou měrou nezatěžují náklady na zneškodnění odpadů. S rozvodem a prodejem elektřiny z kombinovaných zdrojů nebývá žádný zásadní problém. Běžně jsou napojeny na místní distribuční soustavy (30 kV) a celostátní přenosové vysokonapěťové soustavy (110 - 220 kV). Kogenerační jednotky malých výkonů (řádově stovky kW) bývají napojeny na rozvodné sítě nízkého napětí (380/220 V). •
Elektrárny – tepelné a jaderné Elektrárny zajišťují přednostně výrobu elektřiny. Dodávky tepla ve formě horké vody nebo páry do veřejných sítí jsou pro ně druhořadé, v některých případech nejsou dodávky tepla mimo areál elektráren vůbec zajišťovány. Hlavním důvodem je skutečnost, že parní kondenzační elektrárny jsou přednostně stavěny u zdrojů paliv (povrchový nebo hlubinných dolů) nebo přímo v námořních přístavech. Méně často jsou stavěny poblíž velkých průmyslových a městských aglomerací, tam jsou situována hlavně teplárenská zařízení.
78
Základní uspořádání tepelné elektrárny je patrné z kapitoly 3.8. V jaderné elektrárně je kotel nahrazen primárním okruhem s jaderným reaktorem a výměníky tepla. Tepelné elektrárny v ČR, ale i řadě jiných zemí, spalují přednostně tuhá paliva podřadné kvality. Důvodem je cenová dostupnost tuhých paliv – černého nebo hnědého uhlí a lignitu proti kapalným a plynným palivům. Plynná nebo kapalná paliva jsou ale používána v uhelných elektrárenských kotlích pro nájezd – zapálení paliva v kotlích a napájení tzv. stabilizačních hořáků, které zajišťují zachování výkonu kotle v případě dodávky paliva zhoršené kvality (nižší výhřevnost, vyšší podíl popelovin nebo hlušiny, přechodně vysoká vlhkost aj.). Jak bylo uvedeno, energetická účinnost parních kondenzačních elektráren se pohybuje mezi 30 – 45% dle parametrů produkované páry. Jaderné elektrárny ve vyspělých zemích světa zajišťují výrobu 1/4 – 3/4 spotřeby elektřiny. V ČR je plánováno krytí cca 1/3 spotřeby elektřiny jadernými zdroji (instalovaný výkon JE Dukovany 4x440 MWel a JE Temelín 2x1000 MWel). Více než 80 % spotřeby elektřiny kryjí JE ve Francii, Finsku a Litvě. V současnosti je v celém světě provozováno více než 400 bloků jaderných elektráren, 45 jich je ve výstavbě. Masová výstavba jaderných elektráren nastala v době energetické krize po roce 1973, kdy se řada států potřebovala zbavit vysoké míry závislosti na dovozu primárních energetických surovin, zejména ropy z arabských států na Blízkém a Středním východě. Tím byla zajištěna významná diverzifikace primárních zdrojů energií mezi tuzemské a zahraniční zdroje. Tento proces proběhl do jisté míry i v bývalé ČSSR. Výstavba JE byla také motivována ztrátami energie v přenosové soustavě a do jisté míry i neúnosnou koncentrací výroby elektřiny, s ní spojených emisí škodlivin do atmosféry a devastací krajiny v těžebních okresech tehdejší Severočeské hnědouhelné pánve i Sokolovského revíru. Jaderné palivo je vyráběno pro JE Dukovany a Temelín v Rusku (pro JE Temelín je zvládnuta i v USA). Vyhořelé palivo je dosud uskladněno pouze v suchých kontejnerech uložených v meziskladech areálů elektráren, konečné úložiště není zatím vystavěno. Tato praxe je běžná i ve světě, jen menší část jaderného paliva je přepracovávána (hlavně v jaderných mocnostech Francie, Británie, Rusko, USA, Čína). Energetická účinnost klasických jaderných elektráren pracujících se zpomalenými neutrony (moderovaných většinou obyčejnou vodou, méně často těžkou vodou nebo grafitem) je kolem 3%. V provozním měřítku teprve zkoušené jaderné elektrárny s reaktory pracující s rychlými neutrony mají energetickou účinnost až 45 %. Jejich testy probíhají ve Francii, USA a Rusku. Rozvod elektřiny z elektráren Elektřina vyrobená ve všech typech elektráren je vedena z blokových trafostanic elektráren do přenosové soustavy velmi vysokého napětí (110 – 220 kV). Přenosovou soustavou je rozváděna do míst spotřeby, kde je transformována na napětí distribučních soustav vysokého napětí (30 kV a 6 kV) a nízkého napětí (380/220 V). Vedení elektřiny vysokého a velmi vysokého napětí jsou prakticky výhradně nadzemní, vedení nízkého napětí jsou nadzemní i zemními kabely uloženými min. 0,5 m pod povrchem s krytkou (pásem z PVC) červené barvy. 23
Rozvody na území průmyslových zón nebo v centrech velkých měst jsou často vedeny v betonových průchozích kabelových kanálech s ocelovými lávkami na stěnách nebo v průchozích kolektorech společně s dalšími rozvody, např. telefonní sítí, sítí kabelové televize, potrubí vodovodů, kanalizační sítě aj. 23
79
4.10
Vodní elektrárny
Systém energetických výroben – parních elektráren, jaderných elektráren a tepláren ve všech zemích významně doplňují vodní elektrárny, resp. jsou klíčovým článkem elektrizačních soustav některých států. Příkladem jsou Norsko, Švédsko, alpské země (hlavně Rakousko, Švýcarsko a Francie), ale také Kanada, Rusko aj. Výstavba vodních elektráren je investičně velmi náročná, ale provozní náklady jsou nízké. Výrobní cena elektřiny je nižší, než ze všech ostatních dříve uvedených zdrojů. Zásadním problémem možnosti využití energie vody pro výrobu elektřiny je vhodný spád vodního toku nebo geomorfologické možnosti stavby údolní přehradní nádrže a rovnoměrný průtok vody během roku. Např. ve výše uvedených zemích jsou tyto podmínky dobře splněny napájením řek vodou z ledovců a v případě Skandinávie navíc vysokými dešťovými srážkami (naopak v zimních měsících a po zámrazu mají tyto země potíže s krytím spotřeb výrobou elektřiny ve vodních elektrárnách, často jsou nuceny ji nakupovat v zahraničí z výroby na jiných zdrojích včetně jaderných). ČR má pro výstavbu vodních elektráren podmínky málo příznivé – srážkové poměry, které jsou jediným zdrojem vody, jsou v průběhu roku bez ohledu na roční období silně proměnlivé. Sněhová pokrývka je rovněž silně proměnná, saturuje jen menší část říčního průtoku v předjaří nebo jarních měsících. Nejednou ale při rychlých oblevách téměř nelze hydroenergetický potenciál řek ze sněhových srážek využít, často po doplnění zásob vody v přehradních nádržích způsobí rychlé tání sněhu jen povodně. Průtokové poměry umožňují výstavbu velkých elektráren jen na Vltavě a Labi. Na menších tocích, Moravě, Dyji, Berounce, Sázavě a dalších, je buď menší plocha povodí nebo malý spád a nevhodné podmínky pro stavbu údolních nádrží. Stavba přehradních nádrží s vodními elektrárnami pak až na výjimky není ekonomická ani technicky schůdná. Navíc při vysoké hustotě osídlení v ČR, zájmech ochrany přírody, krajiny a vodních toků je nalezení vhodné lokality dále zkomplikováno. Pak přichází v úvahu jen stavba malých vodních elektráren u jezů. Srážkově-odtokové poměry dovolují využití instalovaného výkonu vodních elektráren v ČR cca z 1/3. Byly vystavěny a jsou proto využívány převážně jen pro krytí špičkových odběrů elektřiny z rozvodné sítě v dopoledních hodinách (6 – 12 hod.) a večerních hodinách (18-22 hod.). Zároveň jsou tzv. elektroenergetickou havarijní reservou – využívají se k pokrytí výpadků výroby elektřiny v případech poruch např. parních elektráren. Vodní elektrárny u nás vyrábějí jen do 5% celkové spotřeby elektřiny státu i když jejich celkový instalovaný výkon je 10 % z celkového instalovaného výkonu všech elektráren! Zásadní výhodou vodních elektráren je rychlý rozběh a dosažení instalovaného výkonu během několika minut. To je předurčuje právě pro krytí špičkových a mimořádných výpadků ve výrobě nebo odběrů elektřiny z rozvodné sítě. Naopak parní elektrárny a jaderné elektrárny vyžadují rovnoměrné výkonové zatížení, plynulý odběr vyrobené elektřiny. Změny jejich výkonu jsou možné během desítek minut až několika hodin! Zvláštní pozici v elektrizační soustavě zaujímají přečerpávací vodní elektrárny. Ty jsou napojeny na soustavu dvou vodních nádrží s pokud možno co největším rozdílem nadmořské výšky hladin a velkou zásobou vody. Mimo dobu energetických špiček funguje turbogenerátor jako čerpadlo s elektromotorem – čerpá vodu z dolní nádrže do horní nádrže.
80
Zařízení je napájeno elektřinou vyrobenou v tepelných nebo jaderných elektrárnách, čímž se stabilizuje jejich výkon. V době energetických špiček voda proudí z horní nádrže přes vodní turbínu pohánějící generátor – přečerpávací elektrárna dodává elektřinu do rozvodné soustavy. V tomto uspořádání pracuje přečerpávací elektrárna jako akumulátor energie. V ČR jsou nyní v provozu tři přečerpávací elektrárny – Štěchovická na Vltavě, Dalešická na řece Jihlavě a Dlouhé Stráně na Divoké Desné v Jeseníkách. V alpských zemích a Skandinávii je jich v provozu několik desítek. Výstavba je investičně náročnější i provozní náklady jsou vyšší, než je obvyklé u klasických vodních elektráren. Jejich výše uvedené provozní výhody je ale do praxe prosadily. Další informace k problematice energetiky a obnovitelných zdrojů energií jsou k dispozici v učebním textu pro 3. ročník FŽP autorů Svoboda, Kepák: „Energetika a životní prostředí“.
81
Kontrolní otázky 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Vyjmenujte některé druhy energií! Co je transformace energií, s čím je spojena z pohledu energetických bilancí? Načrtněte schéma parní kondenzační elektrárny! Narýsujte T – S diagram uzavřeného tepelného okruhu parní kondenzační elektrárny! Vyjmenujte energetické výrobny a jejich přibližnou účinnost přeměny primární energie v žádanou formu energie! Co je rozuměno pod zkratkou „KVET“? Vyjmenujte základní druhy fosilních paliv! Jaká je odhadovaná životnost energetických surovin? Načrtněte schéma parní kondenzační elektrárny! Jak jsou řešeny rozvody elektřiny na území států? Jak jsou řešeny rozvody energií na území průmyslových zón?
82
5.0
Hydromechanické pochody
Průmyslové technologie s energetikou, ale i celý obor vodního hospodářství, ventilace a klimatizace objektů aj. manipulují se značnými objemy tekutin – kapalin a plynů. To vyžaduje podrobnou znalost jejich vlastností, chování v klidu a za pohybu – ze toku. Studiem rovnováhy a obecnými zákony pohybu kapalin, plynů a tuhých částic rozptýlených v tekutinách se zabývá hydromechanika, která je součástí užité mechaniky. Hydromechanika (hydraulika) bývá členěna na hydrostatiku (tekutiny v klidu) a hydrodynamiku (tekutiny v pohybu). Kapaliny a plyny jsou souhrnně nazývány tekutiny. Jejich společnou vlastností je téměř neomezená pohyblivost částic, jejich malá soudržnost a minimální odpor ke změně tvaru. Zákony pohybu kapalin a plynů jsou si velmi podobné. Výjimkou je stav, kdy se plyny pohybují nadzvukovou rychlostí. 5.1
Hydrostatika
Hydrostatika se zabývá rovnováhou sil v tekutinách v klidu, jejich základními vlastnostmi a účinky na okolí. Látky v kapalném skupenství se vyznačují velmi malou stlačitelností: 1 δV 1 δρ γ = - ---- ( -------- )T = ------- ( -------- )T V δP ρ δP
(5.1)
Koeficient stlačitelnosti γ má pro vodu hodnotu 4,7 . 10-4 MPa-1 , když V je objem a P tlak. Za běžných podmínek není nutné stlačitelnost vody ani jiných kapalin brát v úvahu, pouze za tlaků na úrovni řádově stovek MPa již ji nelze zanedbávat. Látky v kapalném skupenství se rovněž vyznačují malou objemovou teplotní roztažností. Závislost hustoty kapalin na teplotě vyjadřuje vztah: ρt = ρo ( 1 + β t ) ,
(5.2)
kde ρo je hustota tekutiny ve standardním stavu, ρt je hustota tekutiny při teplotě t a β je koeficient teplotní objemové roztažnosti. Tekutiny působí např. na dno a stěny nádob tlakovou silou. Tlak je tlaková síla vztažená na jednotku plochy a je definována vztahem: F p = ---------A
,
(5.3)
kde p je tlak (N.m-2), F je tlaková síla (N) a A je plocha (m2). Látky v plynném skupenství se naopak vyznačují velkou stlačitelností a výraznou závislostí roztažnosti na teplotě. Hustota plynů se mění v širokých mezích závisle na teplotě a 83
tlaku. Chování plynů za běžných podmínek technologické praxe s vyhovující přesností vystihuje stavová rovnice ideálního plynu: pV = nRT ,
(5.4)
kde p je tlak, V je objem, n je počet molů plynu, R je universální plynová konstanta a T je absolutní teplota plynu. Základní rovnice hydrostatiky byla formulována Eulerem ve tvaru: -∇P + aρ = 0 ,
(5.5)
kde první člen rovnice vyjadřuje vliv tlakových sil a druhý člen vliv silových polí, např. současný účinek síly odstředivé a gravitační. Pokud na tekutinu působí pouze síla gravitační, pak a = g , tj. gravitačnímu zrychlení. Za předpokladu působení tlakové síly jen ve směru svislé osy y v gravitačním poli Země, redukuje se rovnice (5.5) na tvar: δp - --------- + g ρ = 0 δy
(5.6)
y2 p = gρ ∫ δy y1 p = g ρ ( y2 - y1) + po p = g ρ ∆y + po ,
(5.7)
kde p je celkový hydrostatický tlak (absolutní tlak) působící např. na dno nádoby. g je gravitační zrychlení, ρ je hustota kapaliny v nádobě, ∆y je výška sloupce kapaliny v nádobě a po je atmosférický tlak působící na hladinu kapaliny v nádobě. Znalost zákonů hydrostatiky má v praxi velký význam např. při projektování přehradních hrází, jezů, stavidel, plavebních komor a protipovodňových hrází vodních děl, při konstrukci tlakových nádob a skladovacích zásobníků kapalin, ale i skladovacích sil práškovitých nebo zrnitých materiálů, potrubních rozvodů tekutin apod.
84
5.2
Hydrodynamika
Kapaliny a plyny proudí mezi dvěma různými průřezy např. potrubí, kanálu nebo řečiště účinkem rozdílu tlaku mezi těmito průřezy, který je vyvolán rozdílnými výškami hladin nebo činností čerpadla. Hydrodynamika používá následující pojmy: Proudová trubice – je úsek prostoru definovaný délkou, charakteristickým rozměrem (např. průměrem), průřezem, délkou a tvarem. Trajektorie – je křivka popisující dráhu pohybu pomyslné částice kapaliny nebo skutečné tuhé částice, např. v proudové trubici. Rychlost toku – je střední rychlost pohybu tekutiny je vyjádřená v m . s-1. Objemový průtok – je objem tekutiny, který protekl daným průřezem za časovou jednotku vyjádřený v m3 . s-1, je objemovým průtokem 24. Hmotnostní průtok – je hmotnost tekutiny, která protekla daným průřezem za časovou jednotku vyjádřená v kg . s-1 udává hmotnostní průtok: dm m
=
----------dτ
5.20
Ideální tekutina 25 - je tekutina pohybující se bez vnitřního tření – viskozity, tj. beze ztrát energie způsobených vnitřním třením v objemu tekutiny Reálná tekutina – je tekutina, která vykazuje za pohybu vnitřní tření. Newtonovské tekutiny – jsou tekutiny vykazující vlastnosti reálné tekutiny s vnitřním třením. Vnitřní tření je obecně závislé jen na teplotě, tlaku a chemickém složení tekutiny, ale nezávisí na gradientu rychlosti (- dvy/dz). Nenewtonovské tekutiny 26 - jsou látky, které vykazují jen za určitých okolností vlastnosti tekutiny a vykazují pouze zdánlivou viskozitu závislou na gradientu rychlosti, náleží do skupiny nenewtonovských tekutin. Zdánlivá viskozita není v tomto případě vlastností kapaliny! • Pokud viskozita s rychlostí klesá, jedná se o kapaliny pseudoplastické, • v opačném případě se jedná o kapaliny dilatantní. Příkladem nenewtonovských tekutin jsou např. suspenze, emulze, aerosoly, kapaliny s bublinami, ale také látky pastovité, sirupovité, zrnité a práškovité, jejichž chování se může měnit závisle na teplotě, tlaku a obsahu vlhkosti. 5.2.1
Viskozita tekutin
Viskozita tekutin se projevuje jen při jejich pohybu, vyvolává odpor vůči proudění tekutin. Dynamická viskozita η – vnitřní tření – je síla F (N) působící ve směru tečny mezi V textu jsou uváděny jednotky vycházející ze soustavy SI, často se v praxi používají jednotky odvozené nebo násobné, např. m3.h-1, t . h-1 apod. 24
25 26
Tekutinami jsou rozuměny látky vykazující tekutost, tj. kapaliny a plyny zároveň. Prouděním nenewtonovských kapalin se zabývá reologie.
85
vrstvami proudící tekutiny o ploše A (m2), když se vrstvy vůči sobě pohybují rozdílnou rychlostí, což vyjadřuje gradient rychlosti δv/δx : δv F = - η ( -------- ) A δx
,
(5.8)
Jednotkou dynamické viskozity je Pa.s. Podíl dynamické viskozity a hustoty tekutiny je kinematická viskozita: η γ = ------(5.9) ρ Dynamická viskozita většiny kapalin se s rostoucí teplotou snižuje. Teplotní závislost vystihuje obecná rovnice: log η = A + B / T , (5.10) kde A,B, jsou konstanty a T je absolutní teplota. Dynamickou viskozitu roztoku vzájemně dokonale rozpustných a neasociovaných kapalin lze s dobrou přesností určit dle vzorce: ηR = η1X . η2y . η3Z . ….
,
(5.11)
kde x, y, z jsou molární koncentrace jednotlivých složek. Naopak viskozita plynů s rostoucí teplotou stoupá. Tuto teplotní závislost vystihuje obecná rovnice: 273 + C T ηT = ηo ------------------ ( --------- ) T + C
,
(5.12)
273
kde ηT je dynamická viskozita plynu při při teplotě t oC, ηo je dynamická viskozita téhož plynu při teplotě 0 oC, T je absolutbní teplota plynu v (K) a C je konstanta závislá na vlastnostech plynu. Hodnoty konstanty C pro různé plyny jsou uvedeny v tabulce:
Tabulka č. 5.1
Hodnoty konstanty C v rovnici (5.12) pro plyny:
Plyn
C
Plyn
C
Dusík
102
oxid dusný
312
Amoniak
626
kyslík
110
Benzen
380
metan
198
Vodík
83
oxid dusnatý
195
Vodní pára
961
oxid uhelnatý
101
Vzduch
122
oxid sírový
396
Oxid uhličitý
233
chlór
351
86
Dynamickou viskozitu plynných směsí lze vypočítat s dobrou přesností podle vzorce: 1 ------ηS
x1
x2
x3
= -------- + -------- + ------- + …. η1
η2
,
(5.13)
η3
kde ηi jsou dynamické viskozity jednotlivých složek a xi jejich objemové zlomky v příslušné směsi. Viskozita je jednou z významných látkových charakteristik. Hodnoty dynamických nebo kinematických viskozit jsou běžně tabelovány. Ale velmi často jsou také uváděny v podobě nomogramů vyjadřujících zároveň jejich závislosti na teplotě pro konkrétní chemické sloučeniny. Viskozita reálných tekutin je za běžných podmínek téměř nezávislá na tlaku. Pouze při vysokých tlacích, řádově od desítek MPa, jsou pozorovatelné odchylky, které již nelze zanedbávat. Znalost viskozit tekutin je velmi důležitá zejména pro hydraulické výpočty a pro výpočty procesů sdílení tepla za účasti proudících tekutin.
5.2.2
Povaha toku
Jsou-li tekutiny uvedeny do pohybu a působí-li na ně konstantní síly, po určité době se ustálí rychlostní a tlakové poměry v každém průřezu proudících tekutin. Matematický popis jevů uplatňujících se v okamžiku uvádění tekutin do pohybu je velmi komplikovaný a ne vždy podrobně prostudovaný. V dalším textu bude pozornost věnována ustálenému isotermnímu proudění tekutin, kdy všechny veličiny ovlivňující tok tekutin jsou v určitém průřezu a úseku proudové trubice neměnné – zejména objemový a hmotnostní průtok, tj. rychlost toku, teplota, hustota, tlak a tlakové síly, účinek gravitační a odstředivé síly, viskozita tekutin. Je-li libovolný fyzikální parametr u funkcí jedné nebo několika proměnných, lze to obecně zapsat vztahem: u = f (x, y, z, t , a,) (5.14) Ustálený stav – nezávislost na čase τ - potom lze matematicky zapsat vztahem:
Reynoldsův pokus:
du ------- = 0 dτ
(5.15)
Do čiré proudící kapaliny je dávkována kapalina obarvená. Za určitých podmínek se obarvená kapalina nemísí s čirou kapalinou, vzájemně se rozmývají až ve větší vzdálenosti od ústí dávkovací trubice jen působením difúze. Proudící kapaliny se chovají, jako by se vzájemně neovlivňovaly a tvořily jakási samostatná vlákna. Proto bylo proudění tohoto typu označeno za vláknové – laminární. 87
1
V libovolném průřezu potrubí, např. 1 je tlak p konstantní, nezávislý na čase τ :
p
τ Za pozměněných průtokových podmínek je obarvená kapalina okamžitě rozmývána do čiré kapaliny. Kapalina uvnitř trubice intenzivně víří, proto proudění tohoto typu bylo označeno za vířivé, nebo-li turbulentní: 1
Pokud je v libovolném průřezu měřen tlak, vykazuje v čase určité nepravidelné a dobře měřitelné změny – fluktuace – oscilující kolem střední hodnoty:
p
τ Na základě přesně definovaných podmínek při pokusu bylo Reynoldsem definováno bezrozměrné kritérium určující charakter proudění (později nazvané kritérium Reynoldsovo):
88
v ρ d Re = ---------------η
,
(5.17)
kde v je průměrná rychlost proudění tekutiny, ρ její hustota, η její dynamická viskozita a d průměr potrubí, resp. charakteristický rozměr proudové trubice. Velikostí Reynoldsova kritéria jsou pro přímou tubku kruhového průřezu stanoveny oblasti charakteru proudění: Re < 2300
- oblast proudění laminárního
Re ε ( 2300 , 10.000 )
- přechodná oblast proudění
Re > 10.000
- oblast proudění turbulentního
Pro proudové trubice nepravidelného tvaru byl zaveden pojem ekvivalentní průměr definovaný vztahem: 4 S de = --------, (5.18) O kde S je průřez potrubí v m2 a O je obvod smáčené části kanálu, žlabu, řečiště apod. Rychlost proudění je nejvyšší ve středu potrubí kruhového průřezu, směrem ke stěnám se snižuje. U stěny je rychlost proudění rovna nule – uplatňuje se brzdící účinek stěn. Stokesem byla odvozena pro případ laminárního proudění závislost rychlosti proudění vr na vzdálenosti r od osy potrubí kruhového průřezu s průměrem r1 o délce L : (-∆p) vr = -------------- ( r12 - r2 ) 4 η L
,
(5.19)
Proto je rychlostní profil v případě laminárního proudění definován parabolou. V případě turbulentního proudění těsně ke stěně přiléhá laminární vrstva, dále od stěny je úzká přechodná vrstva a jádro toku tvoří vrstva turbulentní. Tok a vytvářející se rychlostní profil při turbulentním proudění se s rostoucí rychlostí proudění blíží tzv. pístovému toku.
Re < 2300
Re > 104
vSTŘ
vSTŘ
89
5.2.3
Rovnice kontinuity
Rovnice kontinuity je vyjádřením zákona zachování hmotnosti v proudící tekutině – viz rovnice (5.20). Hmotnostní průtok v potrubí průřezu 1 o ploše S1 musí být roven hmotnostnímu průtoku v průřezu 2 o ploše S2: 1 2
m1
=
m2
(5.20)
Při objemovém průtoku V1 v průřezu 1 a hustotě tekutiny ρ1 a objemovém průtoku V2 v průřezu 2 a hustotě ρ2 platí: V1 ρ1 = V2 ρ2
(5.21)
Jelikož objemový průtok je součinem střední rychlosti proudění tekutiny a plochy průřezu potrubí: Vx = Sx vx , (5.22) pak zároveň platí:
S1 v1 ρ1
= S2 v2 ρ2
(5.23)
Za předpokladu isotermního proudění nestlačitelné tekutiny jsou si hustoty v obou průřezech rovny a pak platí: S1 v1 = S2 v2
5.2.4
(5.24)
Bernoulliho rovnice
Bernoulliho rovnice je vyjádřením zákona zachování energie v ustáleně proudící tekutině za isotermních podmínek. Rovnice Navier-Stokesova je obecným vyjádřením zákona v neustáleně proudící tekutině. Je-li hustota konstantní, pak platí: -∇P + η ∇ v 2
Dv + a . ρ = ρ --------Dτ
zachování
hybnosti
(5.25)
V následujícím tvaru je Bernoulliho rovnice, která je obecným vyjádřením zákona zachování energie v neustáleně proudící tekutině:
90
-v.∇P - v . ∇τ
D v2 + v . a . ρ = ρ ------- (------ ) Dτ 2
(5.26)
Na levé straně rovnice první člen vyjadřuje vliv tlakových sil, druhý člen vyjadřuje vliv vnitřního tření s přeměnou kinetické energie v proudící tekutině ve vnitřní energii tekutiny, třetí člen zahrnuje vliv vnějších sil udělujících tekutině zrychlení a . Člen na pravé straně rovnice vyjadřuje neustálenost proudění při konstantní hustotě. Z Bernoulliho rovnice lze odvodit pro popis chování isotermně proudících tekutin bezrozměrná kritéria Reynoldsovo (zahrnující vliv vnitřního tření), kritérium Eulerovo (zahrnující vliv tlakových sil), kriterium Strouhalovo (zahrnující neustálenost proudění) a kriterium Froudovo (zahrnující obecně vliv vnějších sil, konkrétně např. gravitace): v ρ d Re = -------------η
(5.27)
∆p Eu = -----------ρ v2
(5.28)
v τ = -----------D
(5.29)
v2 Fr = ----------g d
(5.30)
Sl
Za předpokladu ustáleného isotermního proudění je člen na pravé straně rovnice (5.26) roven nule. V integrálním tvaru za isotermních podmínek rovnice (5.26) přechází do tvaru: v12 p1 v22 p2 -------- + g h1 + -------- = --------- + g h2 + ------- + EZ 2α ρ1 2α ρ2
(5.31)
Korekční člen α = 0,5 pro laminární proudění a α = 1,0 pro turbulentní proudění. vX je střední rychlost proudění v příslušném průřezu potrubí, g je gravitační zrychlení, hX je geometrická výška, pX je tlak tekutiny v příslušném průřezu. 1. zlomek na levé straně rovnice (5.31) odpovídá kinetické energii, 2. součin potenciální energii, 3. výraz tlakové energii. Podobně je tomu pro druhý průřez potrubí na pravé straně rovnice a Ez odpovídá ztrátové energii mezi průřezy 1 a 2. Vyjádření zákona zachování energie v isotermně a ustáleně proudící tekutině lze vyjádřit zjednodušenou rovnicí: (EKIN )1 + (EPOT )1 + (ETLAK )1 = (EKIN )2 + (EPOT )2 + (ETLAK )1 + EZ
(5.31b)
91
EZ je ztrátová energie v úseku potrubí mezi průřezy 1 a 2 způsobená vnitřním třením (viskozitou) a je přímo úměrná délce přímého úseku potrubí L a nepřímo úměrná průměru potrubí d :
EZ
∆ pZ v2 L = ------------ = λ ------------ρ d
(5.32)
Součinitel (koeficient) tření λ je závislý na charakteru proudění. Pro laminární oblast proudění platí, kdy je Re < 2300, platí vztah: 64 λ = ----------(5.33) Re Pro přechodovou oblast proudění, kdy je Re v rozmezí 2300 – 105 platí rovnice Blaziusova: 0,3164 λ = -------------Re0,25
(5.34)
Pro turbulentní oblast proudění, kdy je Re v rozmezí 105 – 108 platí rovnice Nikuradzeho: 0,221 λ = 0,0032 + --------------Re0,25
(5.35)
V praxi jsou velmi často používány grafy vyjadřující závislost λ na Re a relativní drsnosti potrubí n (viz graf č. 1 na str. 93): λ = f (Re, n )
,
(5.36)
kde n je relativní drsnost - poměr průměrné výšky výstupků ε v potrubí ku průměru potrubí d: ε n = ----------(5.37) d
92
Graf č. 1.: Závislost koeficientu tření λ na Reynoldsově čísle Re a relativní drsnosti potrubí n
93
Graf č. 2.:
Závislost relativní drsnosti n na průměru potrubí d z různých materiálů
94
5.2.5
Místní ztráty
V přímém úseku potrubí jsou ztráty energie proudící tekutiny způsobeny výhradně vnitřním třením. V praxi jsou v každém úseku potrubí zabudovány armatury, které způsobují změnu směru proudění tekutiny a při změnách průměru i změnu střední rychlosti proudění (ventil, kohout, šoupě, klapka, zpětný ventil, koleno, oblouk, T-kus) . Rovněž vtok tekutiny do potrubí např. z nádrže nebo naopak výtok tekutiny z potrubí do nádrže, náhlé rozšíření nebo zúžení potrubí a průtokoměry (clona, dýza, venturiho trubice, rotametr, turbinový, indukční, Woltmannův průtokoměr aj.) jsou běžnou součástí potrubních rozvodů. Každý z uvedených konstrukčních dílů potrubí je zdrojem místních ztrát energie proudící tekutiny. Pro výpočty energetických ztrát při ustáleném isotermním proudění tekutiny v potrubí s armaturami je zaveden pojem ekvivalentní délky potrubí LEKV . Každá armatura je pro potřeby výpočtu zdánlivě nahrazena rovným úsekem potrubí právě takové délky, aby mělo shodnou tlakovou ztrátu jako příslušná armatura. Do rovnice (5.25) je potom za délku potrubí dosazena tzv. ekvivalentní délka potrubí LEKV , která je součtem geometrické délky potrubí L a ekvivalentních délek za jednotlivé armatury Σ lEKV : LEKV Tabulka č. 5.1
= L + Σ lEKV
(5.38)
Ekvivalentní délky armatur
Druh armatury
průměr potrubí (mm)
lEKV/d
Koleno 90o
9,5 – 63,5 76,0 – 152,0 178,0 – 254,0 25,0 – 100,0
30 40 50 60 – 90 50 14 10 - 15 75 70 20 200 - 300 12
T-kus Kříž Přímý ventil Šoupě Zpětná klapka Talířová klapka Vtok do trubky Rotametr Venturimetr
Pro výpočet ztrátové energie v isotermně proudící tekutině v reálném potrubí je používán vzorec: ∆ pZ v2 LEkv EZ = ------------ = λ ----------------, (5.39) ρ d kde EZ je ztrátová energie, ∆ pZ je tlaková ztráta v potrubí o ekvivalentní délce LEkv při střední rychlosti toku v , průměru potrubí d a hustotě tekutiny ρ .
95
S ohledem na přiměřenost energetických a tlakových ztrát v potrubí a minimalizaci nákladů na dopravu tekutin jsou obvykle voleny následující střední rychlosti proudění tekutin: Tabulka č. 5.2.
Doporučené střední rychlosti proudění tekutin v potrubí
Tekutina
Kapalné uhlovodíky Voda Vzduch Technické plyny Vodní pára
5.2.6
střední rychlost proudění (m.s-1)
do 1,0 2,0 – 3,0 10,0 – 15,0 10,0 – 20,0 25,0 – 30,0
Inerciální ztráty
Inerciální ztráty se uplatňují při neustáleném proudění. Tím je rozuměno především údobí, kdy se tekutiny pohybují se zrychlením, např. jsou uváděny do pohybu (při otevření ventilu, spuštění čerpadla, rozběhu odstředivky apod.) a naopak. Podobné ztráty jsou i v potrubí, kde je zařazeno pístové čerpadlo, kdy se v potrubí uplatňují tlakové pulsy. Inerciální ztráty nejsou při běžných technických výpočtech uvažovány, ale jsou zohledňovány při konstrukci potrubí, armatur a navrhování čerpadel s jejich pohony. Ty musí odolat tlakovým pulsům a tím vznikajícím rázům i přechodnému zvýšení odběru energie např. elektromotorem pohánějícím čerpadlo. Zvýšení odběru elektřiny může být dvoj- až pětinásobkem odběru energie proti ustálenému proudění!
Kontrolní otázky: 1. 2. 3. 4. 5.
Co je tekutina, jaký je rozdíl mezi ideální a reálnou tekutinou? Napište rovnici pro výpočet hydrostatického tlaku! Kde jsou v technické praxi zákony hydrostatiky využívány? Proč jsou základní vztahy hydrauliky odvozovány pro izotermní proudění tekutin? Jakým kritériem je vystižen charakter proudění, kdy je proudění laminární a kdy turbulentní? 6. Odvozte rovnici kontinuity, co vyjadřuje? 7. Napište některý z tvarů Bernoulliho rovnice! 8. Co všechno způsobuje ztráty energie v proudící tekutině, jak se vypočítají? 9. Co to jsou tzv. místní ztráty a inerciální ztráty? 10. Co je rozuměno ekvivalentní délkou armatury?
96
6.0
Doprava tekutin
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 jednotlivých 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. Základní konstrukční typy zařízení pro dopravu tekutin, tj. plynů a kapalin, budou uvedeny v následujícím textu. Základním úkolem těchto zařízení je dodávat proudícím 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 proudícím tekutinám umožňuje také zvýšení jejich průtoku, tj. přepravní kapacity potrubních rozvodů. Objemové průtoky a pracovní tlaky, účinnost transformace mechanické energie v energii proudících tekutin a měrná spotřeba energie na dopravu tekutin náleží k rozhodujícím parametrům zařízení pro dopravu tekutin. 6.1
Doprava kapalin - čerpadla
V praxi je velká část tekutin s výhodou dopravována čerpadly. Zkapalněné plyny 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 3 II hV 1 hS
Obr. č. 6.1
2
c
a b I Základní schéma systému dopravy kapalin s čerpadlem 1 – dolní zásobník čerpané kapaliny, 2 – čerpadlo, 3 – horní zásobník čerpané kapaliny
hS – sací výška čerpadla (zde je záporná), hV – výtlačná výška čerpadla, 97
H = hS + hV - geometrická (dopravní) výška čerpadla L = a + b + c + d - odpovídá geometrické délce potrubí, lEKV - tvoří zdroje místních ztrát - vstup do potrubí, 2 kolena 90o a výtok z potrubí I a II - průřezy zvolené pro energetickou bilanci (viz dále) Bilanci energie v systému dopravy kapaliny s čerpadlem popisuje Bernoulliho rovnice v upraveném tvaru: v1 2 p1 v22 p2 -------- + g hS + -------- = --------- + g hV + ------- + EZ + EČ 2α ρ1 2α ρ2
(5.29)
V potrubí s čerpadlem je prakticky vždy turbulentní proudění, proto se korekční člen α = 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 rovnice (5.27) je potom za d dosazen průměr potrubí a za délku potrubí je dosazena ekvivalentní délka LEKV :
EZ
∆ pZ v2 LEKV = ------------ = λ ----------------ρ d
(5.30)
Součinitel (koeficient) tření λ je závislý na charakteru proudění (viz kap. 5.0.). Pro turbulentní oblast proudění, kdy je Re v rozmezí 105 – 108 , platí rovnice Nikuradzeho: 0,221 λ = 0,0032 + --------------Re0,25
(5.40)
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 odtrne 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
98
horkých kapalin je volena nulová či záporná sací výška - sání čerpadla je umístěno pod úrovní hladiny čerpané kapaliny (viz. obr. 6.1.).. 6.1.1
Objemová čerpadla 27
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.
Obr. č. 6.2.
Konstrukce ventilů I – kuličkový ventil – 1 – pouzdro, 2 – ventil, 3 – víko, II – klapka – 1 – víčko, 2 – sedlo
6.1.1.1 Pístová čerpadla Pracovním prostorem pístových čerpadel je válcová komora, v níž se pohybuje píst. Pokud má píst těsnící kroužky umístěny ve stěně pístu a zcela vyplňuje prostor válce, jedná se o klasické pístové čerpadlo. 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. 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 %. 4
4
2
3 2
1 Obr. č. 6.3.
1
Konstrukce dvojčinného pístového čerpadla 1 – sací potrubí se sacími ventily, 2 – válec, 3 – pístní tyč s pístem a těsnícími kroužky, 4 – výtlačné ventily
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.
27
99
Pokud jsou těsnící kroužky umístěny pevně ve stěně 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. 6.1.1.2 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 termoplastů.
2 1
3
5 4 Obr. č. 6.4.
Konstrukce membránového čerpadla 1 – skříň komory čerpadla, 2 – kulový sací ventil, 3 – táhlo zajišťující průhyb membrány, 4 – kulový výtlačný ventil, 5 – membrána, K – pracovní komora
6.1.2
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 tečny na obvodu spirálové skříně (viz. obr. 6.6.). Oběžná kola jsou konstruována jako otevřená nebo uzavřená (prostor lopatek oběžného kola je uzavřený mezikružím).
100
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 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.
101
Obr.
Řez jednostupňovým odstředivým čerpadlem s uzavřeným oběžným kolem 1 – oběžné kolo, 2 – spirála, 3, 7, 8 – těsnící kruh, 4 – ploché těsnění, 5 – víko čerpadla, 6 – lucerna, 9 – ložisková konzola, 10 – ložisko, 11 – víko ložiska, 12 – odstřikovací kroužek, 13 – hřídel, 14 – matice, 15, 20 - pojistná podložka, 16 – pero, 17, 18 - pojistné kroužky, 19 – matice, 21 – opěrný kroužek, 22 – těsnění hřídele, 23 – ochranné pouzdro, 24 – patka konzoly Ucpávky: 25 – provazcové těsnění, 26 – ucpávkový kroužek, 27 – zahlcovaní kroužek, 28 – ucpávková příruba, 29 – mechanická ucpávka, 30 – 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 zanalost charakteristiky potrubí, na které bude čerpadlo připojeno. Charakteristika potrubí (4) na obr. 6.6. uvádí závislost ztrátové výšky hz na objemovém průtoku kapaliny potrubím.
102
(3) H (m)
(2) (1)
n = 1500 Hp
(4) hz
n = 1250 n = 1000
hg
Obr. č. 6.6
V (m3.s-1) 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 . 6.1.3
Šneková čerpadla
Ve šnekových čerpadlech je energie čerpané kapalině předávána otáčejícím se šnekem. 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. Princip funkce šnekového čerpadla je znám a využíván od antických dob (Archimédův šroub). 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. poldrů v Nizozemsku). Pohon zajišťují elektromotory přes převodové skříně. Dříve se k pohonu používalo lidské síly, tažných zvířat, vodní nebo větrné energie. Obr. č. 6.7
Schéma šnekového čerpadla
103
6.1.4
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. 6.1.5
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. 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. 6.8.
Zubové čerpadlo 1 – skříň čerpadla, 2, 3 – ozubená kola, 4 – sací hrdlo, 5 – výtlačné hrdlo
104
6.1.6
Hadicová a peristaltická čerpadla
1
2
3
Obr.:
Hadicové (peristaltické) čerpadlo 1 – sací hrdlo, 2 – skříň s rotorem a kladkami, 3 – výtlačné hrdlo
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 zužují její vnitřní průřez. Pohybem kladek je kapalina před kladkami vytlačována z hadice a 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 – 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 pastovitých látek. Často jsou používána i jako čerpadla dávkovací, hlavně u laboratorní techniky typu kapalinových chromatografů, isotachoforetických analyzátorů aj. přístrojů. Jsou rovněž důležitou součástí mimotělních nucených krevních oběhů.
6.1.7
Ostatní typy čerpadel (injektory, monžíky, mamutky, trkače)
Injektory a ejektory, proudová čerpadla - jsou využívány pro čerpání kapalin zpravidla pomocí proudu dopravní tekutiny - tlakové vody nebo páry (injektory – vytlačují kapalinu, ejektory – nasávají kapalinu) proudící potrubím se zmenšeným průřezem.
105
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. Běžně jsou užívána 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 (viz obr. 6.10.).
2 1
4
5
3 Obr. č. 6.10
Schéma proudového čerpadla 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.
106
4 1
2
3
Obr. č. 6.11
Schéma monžíku 1 – přívod čerpané kapaliny, 2 – přívod plynu (stlačeného vzduchu), 3 – tlaková nádoba monžíku, 4 – výtlak čerpané kapaliny
Mamutky – jsou v principu čerpadla využívající k dopravě kapalin rozdílu hydrostatického tlaku kapaliny v nádrži a kapaliny s bublinami vzduchu ve výtlačném potrubí, kde směs kapaliny a bublin má nižší hustotu. 2 1
3
Obr. č. 6.12
Schéma mamutky 1 – přívod tlakového vzduchu, 2 – výtlačné potrubí, 3 – směšovací komora
Trkače – 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.
107
6.2.
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 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) je univerzální plynová konstanta: P V = n R T
(5.41)
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 -----------P1
T
P1
(5.42)
P2
T1
S1 Obr. 5.13.
S2
S
Isotermní komprese v diagramu T – S
Množství tepla uvolněného při isotermní kompresi je úměrné součinu teploty T1 a rozdílu entropie: Q = T1 . ( S2 - S1)
(5.43)
Ke kompresi plynů za adiabatických podmínek je nutné vynaložit mechanickou práci: κ P2 A = ------------ n R T [ ( -------- ) (κ - 1)/κ - 1 ] , κ - 1 P1 108
(5.44) kde κ je Poisonova konstanta: CP κ = --------CV
,
(5.45)
kde CP je molární teplo za konstantního tlaku a CV je molární teplo za konstantního objemu. Zvýšení teploty při adiabatické kompresi je dáno rovnicí adiabaty:
T2
P2 = T1 ( --------- ) (κ - 1)/κ , P1
(5.46)
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 κ . m = ε ( 1 , κ ) . 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. 6.2.1 Kompresory 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. Výkon kompresorů je uváděn jako objemový průtok plynů přepočítaný na Nm3.hod. 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.
109
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). 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 na stovky MPa. Vícestupňové rotační axiální nebo radiální kompresory jsou používány pro kompresi technických plynů (vodíku, dusíku, vzduchu, čpavku, oxidu uhličitého) v průmyslu chemickém, petrochemickém a plynárenském (na tranzitních plynovodech, zkapalňovacích stanicích vzduchu aj.). Axiální turbokompresory jsou součástí turbovrtulových, turbodmychadlových a tryskových leteckých motorů a plynových spalovacích turbín (viz obr. dále). Radiální turbokompresory jsou součástí soustrojí na kompresi plynů výroben kyseliny dusičné (parní nebo plynová turbína + turbokompresor + expanzní turbína), dále jsou 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. Pohon tubokompresorů zajišťují, jak již bylo uvedeno, parní nebo plynové turbíny nebo elektromotory s příkonem 102 – 104 kW. Elektromotory jsou s turbokompresory spojeny přes převodové skříně s převodovým poměrem cca 1 : 4.
110
Obr.: Třístupňový pístový kompresor s protilehlými válci (boxer)
Radiální a axiální kompresory Radiální kompresory 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. 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 spalovacích turbín používaných v energetice, tryskových a turbovrtulových leteckých motorů (viz obr. dole). 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.
Obr. Axiální kompresor (vlevo) jako součást plynové spalovací turbíny (vpravo) 111
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
Křídlové kompresory Rotor je umístěn excentricky ve válcové komoře (viz Obr. 6.16.). 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. č. 6.16. Řez rotačním křídlovým kompresorem 1 – rotor, 2 – lopatky, 3 – válcová komora, 4 – plášť vodního chlazení, 5 – sací hrdlo, 6 – výtlačné hrdlo
112
Objem stlačeného plynu 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) a jsou předřazeny kondenzátorům při strojním chlazení menších výkonů. Stejnou funkci plní v mrazničkách a chladničkách. 6.2.2
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.
3
1
Obr.
2 2
Dmychadlo Roots 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.
113
6.2.3 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, škrcením průtoku plynu klapkami a nebo žaluziemi, což je řešení častější. Z hlediska konstrukce jsou rozlišovány ventilátory: - osové (axiální) - 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.
1
4
3
2
Obr. č. 6.18
Osový ventilátor 1 – oběžné kolo s lopatkami, 2 – rám s přírubou, 3 – elektromotor pohonu, 4 hřídel
114
-
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. č. 6.19
Schéma axiálního rovnotlakého ventilátoru 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 4
22 1
3
7
2 5
Obr. č. 6.20
6
Schéma radiálního odstředivého ventilátoru 1 – sací hrdlo, 2 – oběžné kolo s lopatkami, 3 – hřídel s ložisky spojená s elektromotorem, 4 – výtlačné hrdlo, 5 – ulita oběžného kola, 6 – stolice pro ukotvení ventilátoru a pohonu, 7 - elektromotor pohonu
115
-
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.
6.2.4
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. - vodokružné vývěvy - olejové vývěvy - rtuťové vývěvy mají podobnou konstrukci – ve válcové skříni je excentricky umístěný rotor s pevnými lopatkami u vodokružných vývěv a 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. 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. 5 4
6 2
Obr. 6.21.
3
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
116
-
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
6
Obr. 6.22.:
Schéma parního ejektoru 1 – sací hrdlo odsávaných plynů, 2 – přívod páry, 3 – parní tryska, 4 – mísící komora, 5 – difuzor, 6 – hlava ejektoru
Kontrolní otázky: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Vyjmenujte základní typy čerpadel, jaké jsou jejich výhody a nevýhody? Co je uvádí univerzální charakteristika odstředivého čerpadla? Kdy je s výhodou používáno čerpadlo pístové a kdy čerpadlo odstředivé? Vyjmenujte základní konstrukční typy ventilátorů a dmychadel! Vyjmenujte základní typy kompresorů! Jaké jsou obecně základní rozdíly mezi ventilátory, dmychadly a kompresory? K čemu jsou určeny vývěvy a jaké typy vývěv znáte? Čím jsou poháněny stroje na dopravu tekutin? Čím jsou charakterizovány výkony strojů na dopravu tekutin? Jaké mají negativní vlivy na pracovní a životní prostředí, jak je lze omezit?
117
7.0.
Rozdělování heterogenních směsí
V technologické praxi je 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, • kapalinu, • 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 k oddělení znečišťující složky28. Účinnost oddělení příslušné složky velmi často rozhoduje o čistotě i kvalitě výrobku a ekonomice výrobního postupu. Běžně jsou zařízení na rozdělování heterogenních směsí zařazena v technologických procesech pro omezení emisí znečišťujících látek do ovzduší nebo vod. V těchto případech je přípustný obsah znečišťujících látek a tím minimální odlučivost čistících zařízení stanovena legislativou ochrany ovzduší a vod. Zákon tak stanovuje povinnosti projektantů, investorů a provozovatelů zdrojů znečištění ovzduší a vod s ohledem na jejich kapacitu, chemické složení a množství emitovaných škodlivin. Plné znění platných zákonů o ochraně ovzduší a vod, prováděcích vyhlášek a návazných předpisů je k dispozici na internetu pod adresou www.env.cz , ve složce legislativy.
7.1
Odlučování tuhých nebo kapalných částic z tekutin
Odlučováním tuhých nebo kapalných částic z tekutin jsou rozuměny všechny mechanické operace, kdy jsou z proudu tekutin odstraňovány tuhé nebo kapalné částice. 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 do konečného 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. 7.1.1 Základní terminologie odlučovačů Pro jednoznačnost vyjadřování a popis odlučovacích procesů jsou rozhodující dále uvedené technické pojmy a vlastnosti odlučovaných částic, ať se již jedná o částice tuhé nebo kapalné: • průměr částice d (m, µm) – udává buď skutečný průměr kulové částice nebo průměr fiktivní částice, která se chová při odlučování shodně jako částice kulová, 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.
28
118
• •
• • •
konečná rychlost částice vk (m.s-1) – je relativní rychlost částice vůči nosné tekutině, která se ustaví za ustáleného stavu systému a za rovnováhy sil působících na částici v odlučovači. pádová (usazovací) rychlost částice vp (m.s-1) – je rychlost, s jakou se částice pohybuje v důsledku účinku gravitační, odstředivé nebo elektrostatické síly v nosné tekutině za ustáleného stavu. Pokud je Reynoldsovo číslo Re ≤ 1 , pak lze pro výpočet pádové rychlosti částice použít s vyhovující přesností Stockesovu rovnici: v ρ1 d Re = ------------η
(7.1)
1 ρ2 - ρ1 vp = --------- d2 --------------- g , 18 η
(7.2)
kde d je průměr odlučované částice, ρ2 je hustota odlučované částice, ρ1 je hustota čištěné tekutiny, g gravitační zrychlení, η je dynamická viskozita (Pa.s) a v je relativní rychlost proudění tekutiny vůči částici. zbytek částic Z (%) – je podíl počtu částic nebo jejich hmotnosti za odlučovačem ku původně přítomnému počtu nebo hmotnosti části na vstupu do odlučovače. křivky zbytků částic - Z = f (d), resp. Z = f (vp) jsou vyjádřením závislosti zbytku částic na jejich průměru resp. jejich pádové rychlosti. Obecně je zbytek částic tím větší, čím menší je jejich průměr skutečný nebo ekvivalentní. četnost částic (početní, hmotnostní) je záporná derivace zbytku částic podle určujícího parametru, tj. jejich průměru nebo pádové rychlosti: ∂Z - -------∂d
• •
•
,
∂Z - -------∂ vp
(7.3)
křivky četnosti částic – vyjadřují závislost četnosti částic na velikosti určujícího parametru, např. průměru částice nebo pádové rychlosti. celková odlučivost (účinnost) odlučovače ηc – udává v procentech podíl hmotnosti mo odloučených částic v odlučovači vůči původní hmotnosti částic mp přivedených do odlučovače tekutinou ve stanoveném časovém úseku za určitých podmínek průtoku, tlaku, teploty a relativní vlhkosti plynu nebo průtoku a teplotě kapaliny na vstupu do odlučovače: mo ηc = ----------- 100 (7.4) mp frakční odlučivost (účinnost) odlučovače ηf – je procentickým vyjádřením podílu hmotnosti odloučených částic určité velikosti ku hmotnosti částic stejné velikosti přivedených do odlučovače nosnou tekutinou ve stanoveném časovém úseku za určitých podmínek průtoku, tlaku, teploty a relativní vlhkosti plynu, průtoku a teploty kapaliny:
119
δ Zo -------δd ηf = ηc -------------δ Zp -------δd
(7.5)
•
křivky frakční odlučivosti (účinnosti) odlučovače - jsou grafickým vyjádřením závislosti frakční odlučivosti na velikosti určujícího parametru – průměru nebo pádové rychlosti částice: ηf = f (d), resp. ηf = f (vp) (7.6)
•
dílčí odlučivost ηd – je v principu celková odlučivost odlučovače pro částice v určitém zvoleném rozmezí velikostí určujícího parametru a za určitých podmínek průtoku, tlaku, teploty a relativní vlhkosti plynu. mez odlučivosti je udávána v µm nebo m.s-1, tj. pro částice s určitým průměrem nebo pádovou rychlostí, kdy je dosaženo minimálně frakční odlučivosti ηf = 50 % a větší. průtočné množství tekutiny odlučovačem – objemový průtok Q vyjádřený v (m3.s-1) nebo (Nm3.h-1), případně hmotnostní průtok G vyjádřený v (kg.s-1) nebo (kg.h-1). hltnost odlučovače Qh je objemovým průtokem tekutiny v m3.s-1 nebo v m3.hod-1, pro plyny při tlakové ztrátě ∆ pz = 1 N.m-2 a při hustotě plynu ρ = 1 kg.m-3
• • •
Qc Qh = -----------( ∆ pz )1/2 •
(7.7)
tlaková ztráta odlučovače ∆ pz je udávána v (N.m-2 , kPa) při konkrétní hustotě tekutiny nebo jako ztrátová výška ∆hz udávaná v (m) a při hustotě plynu ρ = 1 kg.m-3, kdy platí: ∆ pz = ∆hz . ρskut. plynu
(7.8)
• součinitel odporu odlučovače ξD – je bezrozměrným číslem, které vyjadřuje poměr tlakové ztráty ∆ pz a dynamického tlaku odpovídajícího rychlosti proudění vD ve zvoleném průřezu (např. ve vstupním hrdle odlučovače) a fyzikálním stavu tekutiny: ξD
2 ∆ pz = -------------v2 ρskut. plynu
(7.9)
120
7.1.2
Původ a vlastnosti tuhých a kapalných částic
Tuhé a kapalné částice znečišťující tekutiny – vzduch, vodu, průmyslové plyny a kapaliny, jsou buď přírodního nebo antropogenního původu. Mezi tuhé nebo kapalné částice přírodního původu jsou řazeny: - kosmický prach a prach pocházející z meteoritů, - anorganický prach pocházející ze zvětralých hornin, půdy nebo sopečné činnosti unášený vodou nebo větrem, popeloviny a saze z lesních či stepních požárů, - organický prach, např. pyl, plankton, spory, bakterie viry, semena, výtrusy aj., - aerosol vodní mlhy nebo solné mlhy na moři a pobřeží Mezi tuhé nebo kapalné částice antropogenního původu jsou řazeny: - prach jako vedlejší produkt důlní a úpravárenské činnosti, - prach pocházející z transportu surovin, dopravy a dopravních strojů, opotřebení strojních částí (spojková a brzdová obložení, oprýskané nátěrové hmoty a v nich obsažená barviva a pigmenty, produkty koroze aj.), - kaly – suspenze pocházející z úpravárenských nebo zpracovatelských procesů, mokrého čištění plynů aj., - sraženiny – krystalické látky vznikající jako součásti výrobních technologií nebo během čištění odpadních vod, - produkty hoření – saze a popílek, - aerosoly těkavých nebo sublimujících látek ze spalovacích nebo průmyslových procesů, - prach nebo kaly unikající z technologických procesů jako důsledek nedokonalé těsnosti aparatury nebo omezené účinnosti technologických odlučovacích zařízení (uhelný prach, stavební hmoty, průmyslová hnojiva, plniva, pigmenty, keramické a sklářské suroviny, rudy aj.). Za největší průmyslové zdroje znečištění vod a ovzduší v ČR i jinde ve světě jsou považovány: - koksovny, briketárny a některé z energetických výroben – elektrárny, teplárny, výtopny a spalovny odpadů využívající tuhá fosilní paliva, - lokální vytápění pevnými palivy – uhlí, koks, dřevo, - těžba a zpracování rud, hutní a slévárenský průmysl – doprava a manipulace se surovinami, hrudkovny a peletizační zařízení, čištění odlitků, - průmysl stavebních hmot – cementárny a vápenky s lomy surovin, lomy, drtírny a třídírny kameniva, - stavební a demoliční práce, drcení a třídění odpadních stavebních hmot, - výrobny živičných směsí, frézování, manipulace a zpracování živičných odpadů, - skrývka, povrchová těžba a úprava minerálních surovin včetně uhlí, - chemický průmysl – výroba průmyslových hnojiv, pigmentů, sazí, organických barviv, - vykládka, nakládka a transport prašných substrátů – uhlí, koks, fosfáty, písky, kaolin, sůl, aj. substráty, - obrábění kovů (broušení, leštění, lapování), povrchová úprava před antikorozní úpravou (broušení, pískování, kartáčování, moření), - doprava a ostatní průmyslová odvětví.
121
Tabulka č. 7.1 Průměrné hmotnostní koncentrace prachu ve venkovním ovzduší a ve vzduchu v pracovních prostorech bez odsávání
Místo
Hmotnostní koncentrace ( mg.m-3 )
vzduch na venkově lázeňská města průmyslová velkoměsta obchody a obchodní domy školy pily hutě strojírny, papírny slévárny obilné mlýny čištění odlitků, výlisků, plechů, brusírny důlní vzduch složiště a zásobníky rud nakládka stavebních hmot příprava surovin porcelánek a skláren pivovary a sladovny balení a pytlování sypkých hmot drtírny a mlýnice stavebních hmot dopravníky slínku cementáren
Tabulka č. 7.2
cca 0,02 0,07 – 0,134 0,2 - 5,0 5,0 - 8,0 18,0 15 - 20 nad 15 20 – 25 20 – 60 45 – 50 75 – 550 100 – 300 100 – 500 100 - 950 cca 120 cca 240 do 700 150 - 1000 225 – 2000
Střední početní koncentrace prachových částic ve vzduchu
Místo Průmyslové odpadní plyny Průmyslové oblasti Velkoměsta Čisté místnosti s turbulentní výměnou vzduchu Čisté místnosti třídy „100“ s laminárním přetlakovým prouděním
Počet částic větších než 0,5 µm ( miliony částic v 1 m3 ) až 5000 30 – 60 15 – 50 2–5 do 0,0035
122
Tabulka č. 7.3 Průměrné hmotnostní koncentrace prachu v některých průmyslových odpadních plynech
Provoz Kotle na černé uhlí: - s mechanickým roštem - granulační kotle, tavící kotle - fluidní kotle Kotle na hnědé uhlí: - s mechanickým roštem - granulační kotle - tavící kotle - práškové kotle - fluidní kotle Kámen, rudy železa a barevných kovů, stavební hmoty (vápno, cement, energosádrovec): - doprava suroviny (50% podílu 2-15µm) - mletí surovinové moučky - drtiče, mlýny, sušárny strusky - bubnové sušárny - rychlosušárny - šachtové pece - kalcinační rotační pece - rotační sušárny - proudové sušárny - rozprašovací sušárny - mletí bauxitu (mlýn Loesche) - mletí bauxitu (kulový mlýn) - chlorační pražení rud Cu Výroba surového železa a oceli, barevných kovů: - pražení sulfidických rud - kalcinace ZnO, CuO - spékací pásy rud barevných kovů - aglomerační pásy (75 % částic do 60 µm) - kychtový plyn - kyslíkové konvertory - Siemens-Martenské pece - feromanganové pece - obloukové pece - kuplovny - rotační a plamenné pece - rafinační a žíhací pece
Hmotnostní koncentrace ( g.m-3 ) (výjimečně)
0,5 – 10 25 - 30 do 50
(30) (70) (100)
2 – 10 2 – 30 1,5 – 3,5 do 50 do 50
(100)
6 – 10 do 10 5 - 10 20 - 100 30 – 250 1,5 – 3,5 20 – 100 3 – 30 40 – 70 50 – 100 10 – 15 15 - 30 1–5 2–5 5 – 15 2 – 10 15 – 30 10 – 50 9 – 40 0,2 – 10 do 20 2,5 – 10 2–8 3 – 10 2
(10) (400) (150) (300)
(15) (20) (15) (200) (60) (15) (20) (30) (20) (5)
123
Tabulka č. 7.4
Obvyklé rozmezí velikosti prachových částic dle původu
Původ prachu
viry tabákový kouř prach v atmosféře kouř ZnO kouř MgO SM pece saze z olejů, sublimáty olejová mlha kyslíkové konvertory dehtová mlha kouř chloridu amonného saze (všeobecně) odpadní plyny z chemických provozů ocelárenský prach silikózní prach, flotační koncentráty metalurgické prachy a kouře mlha nátěrových hmot mlha koncentrované. kyseliny sírové prach ZnO bakterie sušené mléko vodní mlha uhelný prach, elektrárenské popílky pyly slévárenský nebo sklářský písek dešťové kapky
Rozmezí velikosti prachových částic ( µm ) 0,008 – 0,1 0,008 – 0,1 0,008 – 1,0 0,01 – 0,12 0,01 – 0,13 0,01 – 0,14 0,01 – 1,0 0,04 – 1,0 0,008 – 10 0,1 – 2 0,1 – 3 0,15 – 2 0,12 – 3 0,14 – 4 0,12 – 10 0,04 – 100 1–8 1 – 10 0,5 – 20 1 – 15 1 – 20 1 – 30 1 – 100 20 – 60 100 – 1200 500 – 1500 a více
Z dříve uvedených tabulek (8.1 – 4) je patrný: - široký rozsah koncentrací prachu v průmyslových plynech s kolísáním v rozmezí až dvou řádů v extrémních provozních režimech vyvolaných např. změnami teploty a vlhkosti materiálu i plynu, změnami jemnosti mletí, aglomerací nebo rozpadem částic prvotně vzniklých, - široký rozsah původních velikostí částic (distribuce, granulometrie částic) v průmyslových plynech s rozptylem v rozmezí až čtyř řádů dle typu a původu prachu – převážně polydisperzní charakter průmyslových prachů, - široké rozmezí počtu prachových částic v jednotce objemu kolísající v rozmezí až šesti řádů jako důsledek předcházejících dvou skutečností, - v případě mokrého odlučování prachu nebo jiného důvodu vzniku např. vodných suspenzí s obsahem uvedených pevných částic je dán charakter vzniklých kalů a dle koncentrace částečně určeny možnosti jejich odloučení.
124
Variabilita koncentrace, velikosti a počtu tuhých částic v jednotce objemu vzduchu, odpadních průmyslových plynů nebo kapalin vyžaduje znalost dalších parametrů tuhých částic pro konstrukci odlučovačů. Tuhé nebo kapalné částice musí být odloučeny z tekutin s vysokou účinností na aparátech s akceptovatelnými investičními a provozními náklady. Pro konstrukci odlučovačů tuhých částic, ale také jejich příslušenství (potrubí přívodů a odvodů znečištěných tekutin, zásobníků prachu nebo kalů, čerpadel, dopravníků a podavačů, vyprázdňovacích, čistících, temperačních aj. zařízení), jsou vedle koncentrace, velikosti a distribuce tuhých částic důležité jejich další fyzikální, fyzikálně-chemické a chemické vlastnosti: 7.1.3 Tvar částic Tvar částic je značně proměnný. V principu jsou dle tvaru rozlišovány tři základní druhy tuhých částic: • izometrické částice – rozměry v trojrozměrném souřadnicovém systému mají ve směru všech os přibližně shodné – jejich hrudkovitý tvar lze aproximovat krychlí nebo koulí (polyedrické krystalické materiály). V technické praxi bývá často užíván pojem ekvivalentního průměru de nebo redukovaného ekvivalentního průměru dre, kdy je přepočítáván ekvivalentní průměr všech částic materiálu z jejich skutečné hustoty ρm na fiktivní jednotnou hustotu 1000 kg.m-3: ρm dre = de ( ---------- )1/2 (7.10) 1000
• •
Tuhé částice se skutečnou vyšší hustotou vykazují lepší odlučivost, naopak částice s nižší hustotou mají odlučivost v odstředivém nebo gravitačním poli horší. Situace v poli elektrostatickém může být právě opačná. To je nutné brát v úvahu při výpočtu a konstrukci příslušných zařízení. ploché částice (laminární) – jejich dva rozměry jsou výrazně větší než třetí – částice mají tvar destiček, šupinek nebo lamel (slída, břidlice, tuha, odprýsknuté smalty, laky a nátěrové hmoty, hobliny aj.), vláknité částice (fibrilární) – jeden rozměr je výrazně větší než dva zbývající – částice mají tvar vláken, tyčinek nebo jehlic (piliny, textilní vlákna, srst, whiskery, aj.).
Každý z uvedených druhů částic vykazuje jiné vlastnosti při usazování v gravitačním, odstředivém nebo elektrostatickém poli, jiné reologické vlastnosti (za pohybu, sesypávání), jinou schopnost tvořit nálepky, inkrusty, stěny, převisy nebo klenby. Rovněž při zvlhnutí nebo naopak vysušení se mohou uvedené vlastnosti významně změnit. Dobře rozpustné materiály vykazují při kolísání teploty a vlhkosti tendenci k aglomeraci tvorbou krystalických můstků mezi jednotlivými částicemi. Navenek materiál tvrdne, jeví se jako spékavý (anorganické soli, hydraulická pojiva, průmyslová hnojiva, cukr aj.). 7.1.4 Měrná, sypná a setřesná hmotnost tuhých částic Měrná hmotnost – hustota tuhých částic je snadno stanovitelná pyknometrickou metodou. Kalibrovaná nádoba s přesně stanoveným objemem Vp – pyknometr, je postupně zvážen prázdný Mo, s nasypaným prachem Mp, po dolití kapaliny Mk a pyknometr zcela
125
naplněný jen kapalinou o objemu VL = Vp a s hmotností ML. Podmínkou je nerozpustnost tuhé látky v užité kapalině, její nižší povrchové napětí než u vody a dobrá smáčivost prachu. Pak lze vypočítat hustotu kapaliny ρL: ML = -------------VL
(7.11)
(Mp + Mm + ML) – (Mp + Mm) Vm = Vp - VL = Vp - -------------------------------------ρL
(7.12)
ρL
ρm
Mm = ------------Vm
(7.13)
Sypná a setřesná hmotnost je stanovována vážením prachu (MSY) volně pomalu nasypaného ze standardní výšky (např. 250 mm) do kalibrované nádoby objemu VK, např. odměrného válce. Po ručním nebo mechanickém setřesení a doplnění prachového materiálu do odměrného válce je vážení zopakováno a získána hodnota hmotnosti setřeseného materiálu MSE. Výpočtem je pak stanovena sypná hmotnost ρSY a setřesná hmotnost ρSE : ρSY
MSY = ----------VK
(7.14)
ρSE
MSE = ----------VK
(7.15)
Výsledky opakovaných stanovení jak sypných tak setřesných hmotností se mohou značně lišit. Důvodem jsou nepřesnosti v metodice nasypávání materiálu a jeho setřásání. Získané hodnoty pro týž materiál se mohou významně lišit v případě změn jeho vlhkosti, distribuce částic (zrnitosti), tvaru částic a přítomnosti shluků částic. Přibližně platí ρSE = (1,2 až 1,5) ρSY 7.1.5 Distribuce tuhých částic Distribuci tuhých částic, tj. zastoupení částic určité velikosti - granulometrii (k tabulce 7.4.), je nutné znát pro konstrukci odlučovačů velmi přesně, zejména v oblasti od 0 do 15 – 30 µm. Odlučování nejjemnějších tuhých částic je nejobtížnější a mohou tvořit významný podíl z celkového množství tuhé látky obsažené ve znečištěných tekutinách. Rozhodují pak o účinnosti odlučovače! Granulometrické složení prachu je stanovováno řadou metod. Z nich nejužívanější jsou následující: a) Přímé metody – třídí částice dle skutečných geometrických rozměrů. Stanovená velikost částice odpovídá některému z rozměrů:
126
sítování – je použitelné jen pro hrubé frakce za sucha nad 60 µm a při mokrém sítování pro frakce cca nad 15 µm. Jeho využitelnost je proto omezená. - optická mikroskopie – je použitelná pro stanovení velikosti nepravidelných částic laminárních nebo fibrilárních. - elektronová mikroskopie – je použitelná pro velmi jemné prachy s částicemi submikronové velikosti od 0,05 do cca 5 µm. b) Sedimentační metody – třídí částice podle jejich pádové rychlosti v gravitačním nebo odstředivém poli. Z pádové rychlosti je vypočítáván ekvivalentní průměr zdánlivě kulové částice. K tomu účelu jsou využívány metody: - třídění v proudu plynu – s využitím síly gravitační nebo síly odstředivé a Coriolisovy síly v rotačních třídičích. - třídění v kapalině – využívá měření rychlosti sedimentace v gravitačním nebo odstředivém poli s gravimetrickým nebo fotometrickým vyhodnocováním výsledků. K jejich zpracování je využíváno PC s tiskem numerických a grafických výsledků. c) Nepřímé metody – využívají změny fyzikálně-chemických vlastností suspenzí prachu. Jsou např. měřeny změny vodivosti elektrolytu, v němž je suspendován prach. Dle kalibračních křivek pak lze vyhodnotit počet a velikost přítomných částic. -
7.1.6 Měrný povrch částic Měrný povrch prachu bývá vyjadřován v m2.g-1 nebo v cm2.g-1. Je stanovován makroskopický vnější povrch a celkový povrch, tj. včetně pórů. Znalost měrného povrchu má význam pro posouzení absorpce vlhkosti, adsorpce plynů a par, rychlosti rozpouštění částic apod. Pro stanovení celkového povrchu částic je používáno metod adsorpce plynů nebo rtuťových porozimetrů. Pro kulové částice o průměru d (µm) je měrný povrch AMP (cm2.g-1) při hustotě částice ρM a vnějším povrchu částice AP a hmotnosti částice GM :
AMP
AP 6 . 104 = -------------- = ---------------GM d . ρM
(7.16)
7.1.7 Permitivita Permitivita je charakteristickou materiálovou konstantou. Kvalitativně ovlivňuje jevy probíhající v elektrostatickém poli, zejména velikost náboje prachových částic. Toto je parametr významný pro odlučování prachu v elektrostatických odlučovačích. Permitivita pro vakuum má hodnotu: εo
1 = -------- . 107 = 8,85416 . 10-12 V-1.m-1 , 4 π c2
(7.17)
kde c = 2,99776 . 108 m.s-1 je rychlost světla ve vakuu. Pro jiné prostředí než vakuum je permitivita ε dána součinem: εo = εR . εo , (7.18)
127
kde εR je bezrozměrné číslo - relativní permitivita konkrétního prostředí. Udává, kolikrát je permitivita daného prostředí větší než permitivita vakua. Relativní permitivita je závislá na hustotě pevné látky nebo plynu dle ClausiusMossattirova vztahu: εR - 1 ------------- = k . ρ , (7.19) εR + 2 kde k je konstanta. Pro vzduch má hodnotu k = 1,5312 . 10-4 m3.kg-1. Změnu hustoty plynů s teplotou a tlakem je nutné brát v úvahu, u kapalin a tuhých látek lze považovat relativní permitivitu za konstantní. Tabulka č. 7.5
Plyn
Relativní permitivity
εR
Dusík 1,00061 Kyslík 1,00055 Vzduch 1,00059 Oxid uhelnatý 1,00069 Oxid siřičitý 1,00950 4,7 Oxid uhličitý 1,00096 Oxid dusný 1,00114 Vodík 1,00026 Helium 1,00007 8
Kapalina
εR
Tuhá látka
εR
voda H2SO4 C2H5OH petrolej
81 84 2,7 2,1
popílek vápenec uhlí sádra křemen
cca 3 8 cca 4 5
kazivec mastek oxidy kovů slída
6,8 4,1 – 6,4 12 – 18 4 –
4 –
Relativní permitivita směsí je ovlivněna permitivitami složek, které ji tvoří. Pro praktické účely je důležitá vlhkost vzduchu, vlhkost tuhých látek a obsah vody v plynech, neboť relativní permitivita vody je vysoká a výslednou permitivitu značně ovlivňuje. 7.1.8 Elektrický náboj částic Při proudění plynu znečištěného tuhými nebo kapalnými částicemi potrubím získávají částice třením o stěny v důsledku triboelektrického jevu elektrický náboj. Znaménko a velikost náboje je závislá na chemickém složení částic a materiálu potrubí. Nabíjení částic v principu probíhá dvěma mechanismy: • velké částice získávají náboj převážně srážkami s ionty plynů, které se pohybují po silokřivkách elektrického pole deformovaného přítomností tuhé nebo kapalné částice. • malé částice získávají náboj difuzí, kmitavým pohybem iontů plynu v rovině kolmé na směr jeho proudění při kontaktu s částicí.
128
Kapalné nebo tuhé částice mohou získat tzv. nasycený elektrický náboj Qa , tj. určitý maximální náboj daný intenzitou elektrického pole F, průměrem částice d, relativní permitivitou materiálu částice εr a nabíjecím součinitelem κ: Qa = κ εo π F d2
,
(7.20)
kde nabíjecí součinitel κ je funkcí relativní permitivity: εr - 1 κ = 1 + 2 ---------------εr + 2
(7.21)
Hodnota nabíjecího součinitele bývá v rozmezí 1 < κ < 3 . Z předchozích vztahů je patrné, že větší a vlhké částice získávají v elektrickém poli stejné intenzity větší náboj. Časový průběh náboje částice Qτ je závislý na době setrvání částice v elektrickém poli τ, hustotě prostorového náboje v tomto poli ρi a pohyblivosti iontu u:
Qτ = Qa
ρi u τ ----------------------4 εo + ρi u τ
Qτ β = ----------Qa
(7.22)
(7.23)
Pohyblivost iontů dosahuje hodnoty u = 2 . 10-4 m2 V-1s-1. Prostorový náboj bez přítomnosti částic v praxi dosahuje hodnot řádově ρi = 10-6 C m-3, za přítomnosti částic vytvářejících protipole prostorový náboj rychle klesá a doba nabíjení se prodlužuje. Přesto během 4 – 10 sec. získávají částice 50 – 90 % nasyceného elektrického náboje, což vyjadřuje koeficient poměrného nabití částice β. Tyto poznatky jsou významné pro konstrukci elektrostatických odlučovačů. Dále je znalost elektrostatických jevů důležitá pro předcházení zanášení vzduchotechniky (potrubí a odlučovačů) a riziku vzniku elektrických výbojů, které mohou způsobit výbuch plynů nebo k výbuchu náchylných prachových částic ve směsi se vzduchem (viz. dále). 7.1.9
Elektrický odpor
Elektrický odpor prachových částic usazených na povrchu usazovacích elektrod elektrostatického odlučovače zhoršuje podmínky pro jeho funkci. Napěťový spád ve vrstvičce prachu snižuje napětí na povrchu prachové vrstvy a tím zmenšuje dosažitelnou elektrostatickou sílu rozhodující pro odlučování částic s elektrickým nábojem. Odpor vrstvy částic R (Ω) je funkcí měrného odporu ρ (Ωm) síly vrstvy l (m) a plochy vrstvy (plochy usazovací elektrody) S (m2): l R = ρ ---------(7.24) S 129
Měrný odpor je tvořen jednak měrným odporem materiálu, přechodovými odpory mezi vzájemně se dotýkajícími částicemi a povrchem elektrody a částicemi. Hodnota měrného odporu je závislá na řadě okolností – chemickém složení prachových částic, jejich zrnitosti, absorpci a adsorpci vlhkosti prachem, rozpustnosti částic a vodivosti případně vznikajícího elektrolytu, rosném bodu plynu apod. Obecně platí, že vlhký prach má o několik řádů menší měrný odpor než prach suchý, což je pro odlučování příznivější. Proto bývá čištěný plyn (vzduch) před elektrostatickými odlučovači vlhčen, resp. teplota v odlučovači je udržována v úzkém rozmezí. Částice s nasyceným plynem a vodou adsorbovanou v pórech mají měrný odpor podstatně menší a přitom jsou nelepivé, jejich povrch je suchý. Je výhodné pracovat s měrným odporem vrstvy částic v rozmezí 102 - 109 Ωm, přičemž naprostá většina suchých minerálů je izolanty s měrným odporem o 2 – 3 řády vyšším (s výjimkou grafitu a uhelného prachu). 7.1.10 Sypný úhel a úhel skluzu Volně nasypaný materiál vytváří kužel, jehož povrch svírá s podložkou úhel odpovídající tzv. sypnému úhlu. Výsypka je vertikálně posuvná a je umístěna těsně nad vrcholem kužele sypkého materiálu. Tím je bráněno jeho hutnění dopadem. Volně nasypaný materiál je schopen díky přilnavosti a slabým interakcím mezi částicemi odolat určitému náklonu podložky, na níž je umístěn. Materiál je při tomto měření umístěn na sklopné hladké mosazné podložce. Při zvyšování náklonu se materiál dá do pohybu – v tomto okamžiku dojde k lavinovitému sesuvu materiálu. Úhel sklonu podložky vůči vodorovné rovině pak odpovídá úhlu skluzu. Sypný úhel a úhel skluzu jsou závislé na chemickém složení a granulometrii materiálu, jeho vlhkosti, tvaru částic a vlastnostech povrchu částic. Zpravidla jemnější a sušší materiál s částicemi tvarem se více blížícím kouli mají nižší sypný úhel i úhel skluzu. 7.1.11 Lepivost Lepivost není jednoznačně určenou fyzikální veličinou, přesto její podstatou jsou následující fyzikální jevy: - van der Waalsovy síly elektrostatického charakteru jako důsledku polarity molekul, - elektrostatické síly jako důsledek existence elektrostatického náboje částic, - kapilární síly za spoluúčasti kapalné fáze. Rozhodujícím faktorem lepivosti je vlhkost materiálu. Např. suchý flotační koncentrát apatitu Kola je při vlhkosti pod 0,5 % HěO nelepivý a při minimálním impulsu (náklonu podložky, chvění) volně tekoucí. Při vlhkosti mezi 1,0 - 1,5 % již je středně lepivý a při vyšší vlhkosti, zejména nad 2,0 %, je velmi lepivý, tvoří svislé stěny, převisy i klenby. Dále o lepivosti rozhoduje chemické složení, tvar, velikost a distribuce částic prachu, hydroskopičnost materiálu, kvalita materiálu a povrchu stěn vzduchotechniky apod. Různé druhy suchých prachů lze rozdělit do skupin podle lepivosti: - nelepivé prachy – písek, struska, zeminy, piliny a prach kovů, - málo lepivé prachy – hrubý uhelný prach, koks, magnezit, popílky s obsahem nespáleného uhlí, silikáty, - středně lepivé prachy – jemný uhelný prach, elektrárenské popílky, oxidy kovů, práškové kovy, slínek, cement, saze, sušené mléko, aj. jemné prachy s částicemi velikosti pod 25 mikronů, 130
-
velmi lepivé – sádra, vápenec, kaolin, mouka, vláknité materiály, kakaový prášek aj. jemné prachy s částicemi pod 10 mikronů.
Lepivost prachu je důležitá pro konstrukci všech částí vzduchotechniky a jejího příslušenství, zejména zásobníků, dopravníků, podavačů a výsypek prachu, průměru a sklonu potrubí skluzů, tepelné isolace nebo nutnosti ohřevu částí vzduchotechniky. Lepivost materiálu rozhoduje o provozuschopnosti, cyklu a náročnosti čištění vzduchotechnických zařízení a tím spolehlivosti celých technologických linek, jejichž nedílnou součástí vždy jsou. 7.1.12 Opotřebení Opotřebení konstrukčních dílů odlučovačů může být způsobeno několika vlivy materiálu odlučovaných částic, z nichž nejzávažnější jsou: - korozívní účinky - vyplývají z chemického složení a koncentrací složek v systému, provozních teplot zařízení, -
abrazivní účinky materiálu – vyplývají z tvrdosti částic odlučovaných materiálů, velikosti a tvaru a hustoty materiálu částic, jejich koncentrace v proudu plynu, rychlosti proudění, tvaru potrubí a úhlu dopadu částic, způsobují obrušování povrchu materiálu,
-
mechanické opotřebení – deformace v důsledku tlakových nebo teplotních rázů, nevhodná volba materiálu a konstrukce odlučovačů, chvění konstrukčních dílů v důsledku intenzivní turbulence vyvolávající únavu materiálu a praskání svárů, šroubových spojů, závěsů a držáků, .
V řadě případů opotřebení způsobuje souběžné působení všech výše uvedených vlivů. Např. abrazivně působící prach obrušuje produkty koroze s povrchu konstrukčních dílů vzduchotechniky, ventilátorů, čerpadel, potrubí a odlučovačů, urychluje tak proces zeslabení stěn a jejich náchylnost k mechanickému poškození. Je prokázáno, že proti abrazi jsou odolnější měkčí pružné materiály oproti materiálům tvrdým, je-li úhel dopadu blízký 90o – toto je dáno plastickou deformací s postupnou ztrátou kinetické energie částice. Při úhlech dopadu pod 30o je tomu právě naopak – obrus měkkých materiálů je větší. Množství erodovaného materiálu vyjádřené v g.m-2.hod-1 roste přímo úměrně s počtem částic v jednotce objemu a se čtvercem jejich rychlosti. Preventivní potlačení negativních účinků opotřebení technologického zařízení volbou materiálového provedení, pečlivého konstrukčního a dílenského zpracování významně ovlivňuje životnost konstrukčních dílů a provozní náklady i když je investičně náročnější. 7.1.13
Smáčivost
Smáčivost tuhých látek je významným parametrem pro funkci mokrých mechanických odlučovačů prachu. Smáčivost je určena povrchovým napětím kapalin a vlastnostech materiálu - povrchu pracových částic.
131
Čím větší je povrchové napětí kapalin, tím větší je i krajový úhel - úhel smáčení ϑ. Styčná plocha kapky kapaliny (l) a povrchu tuhé látky (s) – částice - je menší, možnost smáčení prachové částice se snižuje. Pokud je teoreticky úhel ϑ = 0o , je částice dokonale smáčena, je-li ϑ = 180o, je částice nesmáčena. Za dobře smáčené jsou považovány látky s krajovým úhlem ϑ = 0 - 90o. (l)
ϑ
(s) Obr. č. 7.1
Smáčený povrch prachové částice (l) – kapka kapaliny, (s) – povrch prachové částice, - ϑ – úhel smáčení
Povrchové napětí kapalin lze významně snížit zvýšením teploty. Stejný efekt má i rozptýlení submikronových částic v kapalině nebo přídavek povrchově aktivních látek – tenzidů. Recirkulací skrápěcích kapalin s obsahem tuhých látek je této možnosti běžně využíváno. Současně je snížena spotřeba skrápěcí kapaliny, kterou je nutné dále využít nebo čistit. Tenzidy – povrchově aktivní látky - způsobují pěnění roztoků nebo suspenzí. V odlučovačích prachu zásadně nejsou používány!
7.1.14
Výbušnost
Některé práškovité materiály ve směsi se vzduchem (aerosměsi) jsou výbušné. Výbušnost vykazují hořlavé (oxidovatelné) materiály za následujících podmínek: • • •
koncentrace hořlavého prachu je v mezích výbušnosti, plynné prostředí obsahuje určité minimální množství kyslíku, iniciace zážehu má dostatečnou energii.
Všechny výše uvedené podmínky musí být splněny současně, má-li dojít k výbuchu. Inertizace směsi plynu a prachu s potlačením rizika výbuchu lze dosáhnout: • • • • • •
zředěním směsi přídavkem inertní složky – dusíku, oxidu uhličitého, vodní páry, snížením teploty plynu pod zápalnou teplotu hořlavého plynu a prachu (pro uhlí pod 120 o C, u dřeva pod 100 oC), uzemněním vzduchotechnického systému, neboť výbuch může iniciovat výboj statické elektřiny, minimalizací vodorovných ploch a prostor, kde by se mohl usazovat prach, konstrukčním řešením vzduchotechnického systému, rychlostí proudění plynu vyšší než je rychlost hoření směsi, přetlakovým uspořádáním, aby nebyl přisáván vzduch do prostoru odlučovače v případě netěsností nebo poruch, 132
preference mokrých metod odlučování prachu, monitorováním koncentrace kyslíku a prachu v čištěném plynu s blokováním chodu zařízení v případě přiblížení se k limitním hodnotám.
• •
Tabulka č. 7.6
Skupina
1 2 3 4 5 a 5 b
Dolní meze výbušnosti prachu
Druh prachu
černé uhlí, koks hnědé uhlí, rašelina dřevěný prach, uretany syntetické pryskyřice polystyren, kasein, bavlna hliník hořčík, zirkon
Min. konc. O2 Min. konc. prachu ( obj. % ) ( g.m-3 )
16,0 14,0
10 – 12 6–8
10,0 5,0 cca 1,0 cca 1,0
8 – 12 6 – 12 7 5
Poznámky k tabulce č. 8.6.: • • •
do skupiny 4 lze také řadit suché jemné prachy s nízkým obsahem popelovin, např. prach korkový, cukrový, sladový, škrobový, z kůže a bavlny, prach sirný, dusíkatých hnojiv aj. práškovitých chemikálií. do skupiny 2 - 3 lze řadit suché práškovité hmoty s vyšším obsahem popelovin, např. saze, prach z kakaa, koření, mýdel, pracích prášků, jantarového a zinkového prachu. systémů členění výbušných aerosměsí do určitým způsobem definovaných skupin je více, tabulka č. 7 představuje jeden z možných přístupů.
7.1.15
Rozpustnost
Rozpustnost ve vodě a dalších kapalinách je závislá na chemickém složení soustavy. Většina jednoduchých případů je řešitelná s využitím tabelovaných údajů rozpustnosti a její závislosti na teplotě. Pro komplikovanější vícesložkové soustavy je nezbytné experimentální ověření skutečné rozpustnosti. Jen tak lze spolehlivě určit metody odloučení rozpuštěných a suspendovaných částic.
7.2.
Fyzikální principy odlučování
7.2.1 Gravitační síla Částice unášené např. v horizontálním směru proudem tekutiny rychlostí vh jsou zároveň vystaveny působení gravitační síly, která jim uděluje pádovou rychlost vp:
133
vh tg β = ----------vp β
(s)
vh
vp
vs
vv
FO
FV (s)
FG Obr. č. 7.2
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:
V rovnováze sil platí:
FG
1 = ms g = ----- π d3 ρs g 6
(7.25)
FO
1 = - ----- π d2 ρg vp2 ξ 8
(7.26)
FV
1 = - ----- π d3 ρg g 6
(7.27)
FG - FO - FV = 0
(7.28)
Dosazením vztahů (25, 26, 27) do rovnice (28) a příslušnou úpravou lze vyjádřit pádovou rychlost částice vp: 4 ds g ( ρs - ρg ) vp = [ --------------------------------- ] 1/2 , (7.29) 3 ξ ρg
134
kde ds je průměr částice, g gravitační zrychlení, ρs hustota materiálu částice, ρg hustota tekutiny a ξ koeficient obtékání částice tekutinou. Hodnota koeficientu ξ je závislá na charakteru proudění, tj. velikosti Reynoldsova čísla (1). V laminární oblasti proudění platí pro pádovou rychlost částice rovnice (2): vp ρ1 d Re = ------------η 1 ρ2 - ρ1 vp = --------- d2 --------------- g 18 η
(7.1)
,
(7.2)
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. 7.2.2 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 (29) zaměnit gravitační zrychlení g součtem zrychlení odstředivého ao a zrychlení Coriolisova aC: vo2 = ------- , r
(7.30)
aC = 2 ω vo
(7.31)
ao
FO
1 = ms a = ----- π d3 ρs ( ao + aC ) , 6
(7.32)
kde vo je rychlost pohybu částice po křivce o poloměru r, ω její úhlová rychlost. Pro usazovací rychlost částice vu v odstředivém poli platí vztah:
vu
4 ds ( ρs - ρg ) vO2 = [ --------------------------------- ( ----- + 2 ω vo ) ] ½ , 3 ξ ρg r
(7.33)
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:
135
d vrel ar = --------dτ
(7.34)
Celkové zrychlení ac, které potom na částici působí, je součtem zrychlení odstředivého, Coriolisova a relativního: ac = ao + aC + ar (7.35) Celkové zrychlení ac pak lze dosadit do rovnice (33) pro usazovací rychlost částice v odstředivých ventilátorových odlučovačích. Z rovnice (30) a dále rovnice (32) je patrné, že odstředivá síla FO roste se čtvercem obvodové rychlosti částice vo při pohybu po kruhové dráze o poloměru r . Odstředivá síla (32) působí i na fiktivní částici tekutiny, ale v důsledku její cca o řád i tři řády nižší hustoty je slabší, než síla působící na tuhou částici a její dráhu zakřivuje méně. 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 důležité pro konstrukci mechanických odlučovačů prachu využívajících odstředivé síly. 7.2.3 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 = εo
Q1 . Q2 ---------------r2
,
(7.36)
kde Qi jsou elektrické náboje, εo je permitivita vakua r vzdálenost mezi náboji. Permitivita reálného prostředí ε je součinem permitivity vakua εo a relativní permitivity prostředí εr (viz. kapitola 2.3.5): ε = εo . εr (7.37) εo = 8,859 . 10-12 C2N-1m-2
(7.17)
Intenzita elektrického pole E je obecně definována jako podíl elektrostatické síly F a příslušného elektrického náboje Q: F E = -------(7.38) Q Intenzita elektrického pole spojitě rozloženého náboje v prostoru, což je případ elektrostatických odlučovačů (viz dále), je definována vztahem:
136
1 q V E = ---------- ∫ --------- dV r3 4πε o
,
(7.39)
kde q je prostorová hustota náboje dQ v prostoru dV vyjádřená podílem: dQ q = -------dV
(7.40)
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 (7.41) 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) (7.42)
Ek = K1
K2 δ ( 1 + -------- ) , √δ.r
(7.43)
kde Ek je kritická intenzita elektrického pole (Vm-1), K1 (Vm-1) a K2 (m1/2) jsou empirické konstanty závislé na geometrii elektrod, r je poloměr drátové elektrody a δ je relativní hmotnost plynu: To P δ = ----- . -------(7.44) T Po 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
,
(7.45)
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:
137
R , (7.45) Uk = Ek r ln -----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:
Uk = Ek
4R r ln ------3r
,
(7.46)
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 Q1 = εo
(7.47)
6 Z1 εr - 1 ( 1 + 2 ------------ ) E -------- , εr + 2 ρm dstř
6 ( 1 - Z1) Q2 = 1,6 . 10-6 ------------------π ρm rstř
,
(7.48)
(7.49)
kde Q je celkový náboj nesený 1 kg polydisperzního prachu (C.kg-1) v elektrickém poli intenzity E s relativní permitivitou εr , středním průměrem částic dstř , hustotou materiálu částic ρm 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 (7.50) 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 τ : qsk 4 εo --------qnp τ = -------- . --------------------------(7.51) qsk u qi ( 1 - --------- ) qnp
138
qsk β = ---------qnp
,
(7.52)
kde prostorový náboj všech ionizovaných částic qi je závislý na skutečném prostorovém náboji prachových částic qsk a β je součinitel poměrného nabití částic. Na odlučované částice v elektrostatickém odlučovači potom působí současně: a) elektrostatická síla: FE = Q E (7.53) 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 = ----- π d3 ρs g (7.25) 6 c) síla odporu prostředí: 1 (7.26) FO = - ----- π d2 ρg vp2 ξ 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 = ------------3πηd
(7.54)
a po dosazení náboje částic a úpravě vztahu je usazovací rychlost vu:
vu
8,855 . 10-12 β κ E1 E2 dstř = ----------------------------------- , 3η
(7.55)
kde E1 je intenzita el. pole, kde částice získala náboj, E2 je intenzita el. pole, kde částice právě nachází, dstř je střední průměr částice, η je dynamická viskozita plynu κ je nabíjecí součinitel závislý na relativní permitivitě (viz rovnice 21). 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. 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:
139
I = f(U) , (7.56) 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 7.2.4 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. 7.2.5 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. 7.2.6 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. Nevýhodou filtrace je vyšší tlaková ztráta ∆ pZ na filtrační přepážce a filtračním koláči při žádané vysoké odlučivosti. To má za následek vyšší spotřebu energie pro pohon čerpadel znečištěných kapalin nebo ventilátorů, dmychadel, vývěv nebo kompresorů plynů a pokles průtoku tekutin úměrně se zvyšující síle filtračního koláče: ∆ pZ = v ( α η h + R ) ,
(7.57)
kde v je rychlost průtoku plynu, α mezerovitost filtračního koláče, η dynamická viskozita plynu, h síla filtračního koláče a R odpor filtrační přepážky. Jako filtračních materiály jsou používány: • tkané a netkané textilie, • papír,
140
• • • •
keramika, slinuté sklo (frity), slinuté kovy, polymerní membrány
7.3
Konstrukce a technické parametry odlučovačů
7.3.1
Suché mechanické odlučovače prachu z plynů - cyklóny
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. 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
Obr. č. 7.3
Vírové odlučovače
2
141
1 – vstup zaprášeného plynu, 2 – výstup odprášeného plynu, 3 – výstup odloučeného prachu, 4 – pevné rozváděcí kolo 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, 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 µm 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 µm 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. Usazovací rychlost částice o průměru 5 µm 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: v2 ∆ p = ξ ------- ρg , (7.58) 2 kde ξ je součinitel odporu, ρg 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 142
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 a 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 µm 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 µm jsou zachyceny v 1. stupni tvořeném cyklóny a jemnější částice jsou odlučovány ve 2. stupni tvořeném např. filtry nebo elektrostatickými odlučovači (viz. dále). Do skupiny suchých mechanických odlučovačů dále náleží málo používané a méně účinné , sedimentační komory, odlučovače žaluziové, rotační aj.
7.3.2
Mokré mechanické odlučovače
7.3.2.1 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
143
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. Tlaková ztráta sprchových věží bez výplně je do 200 N.m-2, u sprchových věží s výplní je do 500 N.m-2. Odlučivost prachu ve sprchových věží dosahuje běžně 95 – 97 % i pro částice velikosti kolem 1 – 2 µm. Objemový průtok odprašovaných plynů sprchovými věžemi může dosahovat desítek až stovek tis. Nm3.hod.-1. 1
2 8 3
7
4 6 5 Obr. č. 7.5.
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
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 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
144
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. Konstrukcí a systémem řízení velmi podobné sprchovým věžím jsou absorbéry oxidu siřičitého ze spalin fosilních paliv pracující metodou mokré vápencové vypírky (viz dále). 7.3.2.2
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. 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. kapitola 3.2.1. a obr. č. 5). 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 µm kolem 95 %, pro částice nad 10 µm je až 100 %. Za běžných provozních podmínek je dosahováno pro částice s velikostí nad 5 µm odlučivosti na úrovni 98 – 99 %. Pro částice s velikostí kolem 1 µm 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
145
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
1
4 Obr. č. 7.6.
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. 7.3.2.3
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 µm. 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. 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 146
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 (viz kapitola 3.1.3.). 1
2
2
3 Obr. č. 7.7
Proudový odlučovač Venturi 1 – vstup znečištěného plynu, 2 – trysky pro nástřik vypírací kapaliny, 3 – výstup plynu s vypírací kapalinou
Příslušenstvím proudového odlučovače je cirkulační okruh se systémem měření a regulace shodné koncepce, jako byla popsána u sprchových věží v kapitole 3.2.1. Tlaková ztráta proudových odlučovačů konstrukce Imatra Venturi (viz. obr. č. 7.7) 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 zanášení nerozpustnými látkami.
147
Odlučivost proudových odlučovačů přesahuje 98 – 99 % i pro částice velikosti kolem 1 µm. Tyto parametry je řadí k nejúčinnějších mokrým mechanickým odlučovačům prachu. 7.3.2.4
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 - 1µm. 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 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.
7.4
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
(7.59)
b) pro trubkový odlučovač: 2.L.w - -----------R.v
OC = 1 - e
,
(7.60)
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.
148
τo
L = -----v
(7.61)
τo odpovídá době zdržení částice v aktivní zóně odlučovače, tj. v prostoru mezi vysokonapěťovými elektrodami, a vztah τu
R = -----w
(7.62)
odpovídá době odlučování částice. S f = ------V
,
(7.63)
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. Výrazy (61), (62) a (63) lze dosadit do rovnic (59) a (60). Odlučivost EO je závislá především na době zdržení 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 2.4.3.). 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 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. Proto v současnosti nejsou vyráběny ani používány. 7.4.1
149
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. 3
4
5
6
1
2 Obr. č. 7.8.
Vertikální trubkový elektrostatický odlučovač 1 – vstup plynu, 2 – výstup odloučeného prachu, 3 – výstup plynu, 4 – drátová nabíjecí elektroda (katoda), 5 – trubková usazovací elektroda (anoda), 6 – rozváděcí žaluzie
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
7.4.2
150
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
3 4
5 Obr. č.7.9.
5
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
151
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. 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. 7.5
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. 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 152
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. 3
2
5
1
4 Obr. č. 7.10
Textilní filtr 1 – vstup plynu, 2 – výstup plynu, 3 – přívod tlakového vzduchu pro zpětný proplach, 4 – výsyp odloučeného prachu, 5 – koše s filtrační textilií
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. 153
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 přepážek. U filtru zobrazeného na obr. č. 10. jsou např. vždy 2 sekce proplachovány tlakovým vzduchem a 8 sekcí filtruje. Po 1 – 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 používány pro nejrůznější účely, např. pro čištění odpadních průmyslových plynů a znečištěného vzduchu v cementárnách, vápenkách, výrobnách průmyslových hnojiv, drtírnách a mlýnicích, u vykládacích a expedičních zařízení, plnících linek, dále k čištění vzduchu pro ventilaci a klimatizaci průmyslových objektů nebo veřejných budov a kulturních zařízení, bytů, inkubátorů apod. 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. Tímto způsobem lze ušetřit značné prostředky za vytápění bez potřeby instalace rekuperačních výměníků. Uvedenými příklady je dokumentován význam textilních aj. filtrů pro zlepšení čistoty ovzduší v pracovních i mimopracovních prostorách, pro ochranu životního prostředí.
154
7.6
Fyzikálně-mechanické čištění kapalin
Cílem fyzikálně-mechanického stupně čištění kapalin včetně odpadních vod je odstranění nerozpuštěných sedimentujících, plovoucích i suspendovaných nesedimentujících látek a odloučení kapalných látek s vodou nemísitelných plovoucích na hladině. K tomu účelu jsou používána následující zařízení: 7.6.1 Lapáky štěrku a písku Lapáky štěrku a písku bývají zařazeny v odvodňovacích sítích, kanalizačních sítích a čistírnách odpadních vod (dále ČOV) jako první technologické zařízení mechanického stupně čištění vod. Jedná se zpravidla o dvě paralelně zapojené sedimentační komory – železobetonové vany. Jedna komora je provozována, druhá se čistí a potom zůstává v záloze. Sedimenty jsou z komor vyprazdňovány drapákovým bagrem. V lapácích štěrku a písku jsou zachycovány nejhrubší dobře sedimentující nečistoty s velikostí částic nad 0,1 – 0,2 mm. Experimentálně bylo zjištěno a praxí ověřeno, že průtoková rychlost musí být těsně kolem 0,3 m/s, aby nesedimentovaly organické látky. Odstraněním hrubých nečistot je chráněno veškeré dále zařazené technologické zařízení před mechanickým poškozením a zvýšeným opotřebením. Pak je předčištěná odpadní voda čerpána šnekovými čerpadly do česlovny. 7.6.2
Česle
K zachycení nejhrubších nečistot plovoucích nebo vznášejících se v proudu kapalin jsou požívány česle. Česle zároveň chrání dále zařazená technologická zařízení před ucpáváním nebo mechanickým poškozením během manipulace s kalem. Česle jsou umístěny na vtoku vody do jímacích objektů přívodů vody k vodním turbínám, na vstupu vody do jímacích objektů vody z vodárenských nádrží, úpraven vod, za lapáky štěrku a písku v ČOV. Česle jsou v principu rošty z ocelových prutů nebo pásů, tzv. česlic. Rozteč průlin mezi česlicemi je u hrubých česlí 50 – 100 mm, u jemných česlí 5 – 25 mm. Materiál zachycený česly (shrabky) je shrabován ručně nebo mechanicky. Sklon česlí vůči hladině je pod úhlem 45o u česlí čištěných ručně a do 60 – 70o u česlí mechanických. Zachycené shrabky jsou od česlí dopravovány šnekovými dopravníky, kde jsou zároveň při mírném slisování částečně odvodněny. Shromažďují se v kontejneru a periodicky jsou odváženy na skládku tuhých komunálních odpadů. 7.6.3
Síta
Pro odstranění jemnějších nečistot obsažených v česlemi předčištěných komunálních nebo průmyslových odpadních vodách jsou používána kotoučová nebo bubnová síta. Znečištěná voda teče otevřeným žlabem a natéká shora na kotoučové síto. Zachycené mechanické nečistoty jsou vynášeny otáčejícím se kotoučovým sítem nad hladinu, kde jsou mechanicky shrnovány stěračem nebo kartáči. U bubnového síta znečištěná voda natéká do vnitřku rotujícího bubnu se sítem. Voda sítem protéká a mechanické nečistoty se zachycují na vnitřní straně síta. Pak jsou vynášeny nad hladinu, kde jsou s povrchu síta odstraněny, stejně
155
jako v předchozím případě. Zachycené nečistoty jsou opět shromažďovány v kontejneru a odváženy na skládku. 7.6.4
Lapáky olejů a tuků
Lapáky olejů a tuků (lapoly) zachycují veškeré organické látky nemísitelné s vodou s hustotou nižší než, je hustota vody. Zpravidla se jedná o látky obtížně dispergovatelné a obtížně biochemicky rozložitelné, zejména v případě ropných látek obsažených hlavně v průmyslových odpadních vodách. Vyšší koncentrace olejů a tuků v čištěných odpadních vodách by způsobovala zalepování nebo ucpávání zařízení a propojovacích potrubí, rušila by průběh čistících procesů tvorbou emulzí, značně by zatěžovala biologický stupeň čištění a zhoršovala by tak účinnost celé ČOV. Proto je jejich odloučení nutné v mechanickém stupni ČOV. Lapoly jsou konstruovány jako horizontální betonové vany. V lince ČOV jsou často zapojeny paralelně dva lapoly kvůli technologickému čištění a opravám. V chemickém průmyslu bývá betonový povrch van lapolů impregnován syntetickými pryskyřicemi nebo je celá vana vyložena plechem z nerezavějící oceli, případně je vyzděna kyselinovzdornou vyzdívkou. Uvnitř vany jsou umístěny zpravidla dvě pevné norné stěny. Norné stěny zasahují cca do 2/3 hloubky vany, aby proudění vody u hladiny nerušilo odsazování vrstvy olejů a tuků. Norné stěny jsou ze strany přítoku opatřeny žlábky. Žlábky jsou odváděny zachycené oleje a tuky do separátní nádrže, odkud jsou dopravovány zpět do výrobního procesu nebo ke zneškodnění metanizací, spálením či skládkováním jako nebezpečný odpad. Spíše výjimečně jsou oleje a tuky zachycené v lapolech recyklovatelné - téměř výhradně to platí pro ČOV v chemickém a strojírenském průmyslu, benzinové pumpy, sklady a tankoviště motorových paliv a topných olejů nebo autoservisy. 1
2
3
3
Obr. č. 7.11 Schéma lapače olejů a tuků 1 – vstup znečištěné vody, 2 – výstup vyčištěné vody, 3 – výstupy olejů a tuků Principem odlučování olejů a tuků v lapolech je jejich nemísitelnost s vodou a nižší hustota proti vodě. Proto účinkem vztlakové síly vyplavou na hladinu klidné vody. Postupná rychlost ve vaně lapolu nemá překročit 15 cm/s, aby turbulence nerušila proces odlučování. Výjimku tvoří oleje a tuky tvořící emulze, které se snadno váží na koloidní částice a tvoří tzv. třetí fázi – klky. Rozražení emulzí bývá velmi obtížné a omezeně účinné – pomáhá okyselení vod nebo koagulace přídavkem povrchově aktivních látek (tenzidů). Doba zdržení čištěné vody v lapolu bývá alespoň 1,5 hodiny – rozhodující je minimální vzestupná rychlost částice, kterou je nutné ještě odloučit. Ta je dána vztahem: Q v vz = ----------
(7.64)
A 156
kde vvz je vzestupná rychlost odlučované částice v m/s, Q je objemový průtok vody lapolem v m3/s a A je plocha usazováku v m2. Shodný vztah platí i pro rychlost sedimentace tuhé částice, přirozeně pohyb částice je v opačném směru, t.j ke dnu. Jelikož v lapolech jsou dobré podmínky i pro sedimentaci tuhých nerozpustných částic, bývá funkce lapolů a usazováků spojena do jednoho zařízení – u hladiny se odlučují oleje a tuky, u dna se odlučují tuhé nerozpustné látky. 7.6.5
Usazováky
Hlavní podíl nerozpustných látek původně obsažených v čištěných odpadních vodách je oddělován v usazovacích - sedimentačních nádržích. Jsou nejdůležitějším technologickým zařízením mechanických částí odlučování tuhých částic ze suspenzí v technologických procesech nebo ČOV. Usazováky jsou rovněž koncovým aparátem biologického a terciárního stupně ČOV (tzv. dosazováky). Jako sedimentační zařízení jsou nejčastěji používány vanové (hranolové) usazováky s obdélníkovým povrchem a horizontálním průtokem vody. Čištěná suspenze vtéká do usazováku přes rozdělovací úsek tvořený pevnou nornou stěnou. Je tak zajištěno rovnoměrné rozdělování suspenze po celé šíři usazováku a ve středu se netvoří proud s vyšší postupnou rychlostí. Případně vřazená norná stěna zároveň zajišťuje nerušené oddělování olejů a tuků u hladiny v případě, že je spojena funkce lapolu a usazováku. Je proto opatřena odváděcím žlabem olejů a tuků. U výtoku z usazováku je ze stejných důvodů druhá pevná norná stěna s odtokovým žlabem. V tomto uspořádání je v usazováku ještě pohyblivá norná stěna bez žlabu. Tato norná stěna je posunována podél vany k výtokovým žlabům olejů a tuků na protilehlých koncích usazováku. Norná stěna stírající z hladiny vrstvičku olejů a tuků je spojena s pojezdovým zařízením a radlicí shrnující sedimentující kal ze dna ke kalové jímce. Kalová jímka s výpustí kalů je buď na straně vtoku nebo uprostřed usazováku .
1
2
3
3 5
Obr. č. 7.12 Schema usazováku spojeného s lapačem olejů 1 – vstup znečištěné vody, 2 – výstup vyčištěné vody, 3 – výstupy olejů a tuků, 4 – pojezdový most s rameny shrnování kalu a stěračem olejů a tuků, 5 – kalník - kalová jímka s výstupem kalů V průmyslové praxi jsou rovněž velmi časté kruhové usazovací nádrže s nízkou válcovou stěnou a kónickým dnem (Dorrův usazovák). V praxi ČOV jsou označovány jako dosazováky.
157
Suspenze natéká do kruhové usazovací nádrže centrálním rozdělovačem, vyčištěná kapalina odtéká obvodovým sběrným žlabem. Kaly jsou shrnovány mechanicky radličkami zavěšenými na rámu spojeném s otáčivým pojezdovým mostem. Kal je odčerpáván ze středové kalové jímky. 1
2
3
Obr. č. 7.13
Schéma dosazováku s mechanickým vyhrnováním kalu 1 – přítok z aktivační nádrže, 2 – výtok vyčištěné vody, 3 – výstup kalu
Pro menší objemy suspenzí jsou v ČOV a průmyslových technologiích používány usazováky vertikální prosté, lamelové nebo patrové.
2
1 3
4 Obr. č. 7.14
Schéma lamelového usazováku 1 – přítok suspenze, 2 – výtok vyčištěné kapaliny, 3 – sekce s lamelami 4 – výstup kalu
Usazováky využívají k odloučení nerozpuštěných částic gravitační sílu. Návrh usazováků musí brát v úvahu tvar, velikost, hustotu, koncentraci a disperzitu nerozpuštěných částic. V principu jsou nerozpuštěné částice dvou typů. Prvním typem jsou zrnité částice s konstantní velikostí a tím i konstantní sedimentační rychlostí (písek, popílky, škvára, uhelné
158
kaly aj.). Částice druhého typu se s časem zvětšují v důsledku aglomerace a jejich vločky postupně zvyšují sedimentační rychlost (např. hydroxid hlinitý, hydroxid železitý, aktivovaný kal v ČOV). Nerozpuštěné částice jsou proto v naprosté většině případů polydispersní směsí. O rozměrech usazováků rozhoduje velikost nejmenších částic, které se ještě musí usadit. Podíl všech částic menších procházejících usazovákem bez odloučení musí být s rezervou nižší, než je stanovená maximální koncentrace nerozpuštěných látek v čištěné kapalině. Pro čas τs sedimentace nejmenší sedimentující částice potom platí: h
l
V
P. h
τs = --------- = ---------- = ---------- = ---------vs
u
Q
(7.65)
Q Q
vs = ----------
(7.66)
P τs
-
čas sedimentace nejmenší částice (mezi 1,5 – 2 hodinami)
vs
-
rychlost sedimentace nejmenší částice v m/s
h
-
hloubka horizontálního usazováku
u
-
postupná rychlost proudění v usazováku (2 – 5 cm/s)
V
-
celkový pracovní objem horizontálního usazováku v m3
Q
-
objemový průtok usazovákem v m3/h
P
-
plocha povrchu usazováku v m2
7.7
Filtrační zařízení kapalin
7.7.1
Nuč
(1,5 – 3 m)
Filtrační nuč je tvořena tkaninou (plachetkou) vloženou do otevřené nádoby s dvojitým dnem, kde horní dno je perforované. Filtrační tkanina je upevněna k perforovanému dnu nebo je přetažena přes její horní okraj, kde je připevněna např. ocelovým páskem. Suspenze natéká shora na tkaninu a filtrát gravitační silou protéká filtrační tkaninou. Filtrační koláč se shromažďuje na filtrační tkanině. Po poklesu průtoku se může filtrační koláč promýt např. vodou, filtrační tkanina se uvolní a přebytek kapaliny se z filtračního koláče mechanicky vymačká nebo vyždímá, filtrační koláč se vyjme i s plachetkou z nádoby. Nuč je v principu nejjednodušší filtrační zařízení. Při vhodné volbě filtrační tkaniny má vysokou účinnost, ale její výkon je malý, pracuje přetržitě - diskontinuálně. Proto je
159
používána pro různé účely jen v laboratorních nebo poloprovozních podmínkách, ale také v domácnostech, např. pro filtraci ovocných šťáv. 1 2
3 Obr. č. 7.15
4
Schéma nuče 1 – přítok suspenze, 2 – plachetka, 3 – perforované dno, 4 – výtok filtrátu (vyčištěné kapaliny)
7.7.2
Komorové filtry
Komorové filtry (nebo také rámové filtry, kalolisy) jsou klasickým a velmi často používaným typem průmyslových filtrů. Jsou určeny pro filtraci velkých objemů silně znečištěných kapalin s vysokou koncentrací pevných částic i špatně filtrovatelných. Výhodná je filtrace horkých suspenzí, které mají nižší viskozitu. Filtrace v komorových filtrech probíhá buď za konstantního tlaku, kdy rychlost filtrace se zvyšováním síly filtračního koláče klesá, nebo za konstantní rychlosti filtrace, kdy je nutné postupně zvyšovat tlak suspenze na vstupu do filtru. Konstrukce komorových filtrů je tvořena ocelovými rámy s přívody filtrované suspenze a promývací kapaliny a dále rýhovanými deskami. Na deskách je natažena filtrační tkanina, na níž se zachycuje odfiltrovaná tuhá látka – filtrační koláč. Filtrační tkaniny jsou většinou bavlněné (flanel, batist) nebo polyesterové závisle na chemických vlastnostech a teplotě suspenze. Filtrační plachetky jsou uskřípnuty po stažení mezi deskami a rámy filtru. Komor je za sebou řazeno až několik desítek. Těsnost je zajištěna mechanickým nebo hydraulickým stažením všech rámů a desek k sobě. Filtrační plocha je snadno měnitelná. Suspenze natéká pod tlakem do komor shora. Filtrát stéká kanálky v rýhovaných deskách do sběrné vany umístěné pod komorami filtru. Jelikož narůstající filtrační koláč klade stále větší hydraulický odpor protékajícímu filtrátu – zfiltrované kapalině (viz rovnice 57), musí komorový filtr pracovat za zvýšeného tlaku až několika MPa. Odfiltrovaná tuhá látka se shromažďuje v komoře tvořené rámem a deskou. Pokles průtoku filtrátu signalizuje zaplnění komory filtračním koláčem. V tomto případě se zastaví přívod suspenze a filtrační koláč se promyje promývací kapalinou, zpravidla vodou. Tím se vymyje z filtračního koláče zbytek matečního roztoku. Někdy je filtrační koláč tzv. sušen - zbaven části filtrátu profukováním tlakovým vzduchem prodícím v opačném směru než filtrát. Uvolněním desek a jejich vzájemným odsunutím vypadne filtrační koláč do níže umístěné vany (viz. obr. 7.16). Komorové filtry jsou účinná, jednoduchá, proto investičně a provozně levná zařízení. Obsluhu komorového filtru zvládnou nekvalifikované pracovní síly. Nevýhodou jsou vyšší nároky na fyzicky namáhavou ruční práci při obsluze a přetržitý – diskontinuální provoz. Pro
160
kontinualizaci provozu je nutné instalovat dostatečně velký míchaný mezizásobník suspenze pro překlenutí času čištění filtru nebo instalovat v technologické lince dva či více komorových filtrů dle žádaného výkonu filtrační stanice. V průmyslové praxi jsou komorové filtry často používány pro filtraci průmyslových kapalin, např. cukrové šťávy v cukrovarech po neutralizaci a saturaci, odvodnění kalů z metanizačních nádrží ČOV, odvodnění sedimentů z usazováků, filtraci viskózy při výrobě viskózového hedvábí. 1
2
2 5 4
3
6
Obr. č. 7.16. Schéma jedné komory komorového filtru (kalolisu) 1 – přítok suspenze, 2 – rýhované desky s plachetkami, 3 – rám, 4 – výtok filtrátu (vyčištěné kapaliny), 5 – komora s filtračním koláčem, 6 – sběrná vana na filtrát (za provozu) a na filtrační koláč (při čištění) 7.7.3
Svíčkové filtry
Svíčkové filtry jsou určeny pro tlakovou filtraci kapalin s malým obsahem tuhých částic, pracují diskontinuálně. Svíčkový filtr je tvořen tlakovou nádobou v níž je perforovaná trubka, na které je z vnější strany navlečen filtrační materiál. Jako filtrační přepážky jsou použitelné vícevrstvé tkané nebo netkané textilie, plst, kovové nebo plastové sítoviny, papír, neglazovaná keramika, slinuté práškové kovy, polymerní membrány apod. Filtrovaná suspenze je přiváděna z vnější strany filtrační přepážky. S rostoucí tloušťkou filtračního koláče, která může dosáhnou až 100 mm, roste hydraulický odpor filtru a klesá průtok filtrátu. Pak je nutné filtr propláchnou promývací kapalinou, případně profouknout tlakovým vzduchem, filtr demontovat a vyčistit, případně filtrační materiál vyměnit. Svíčkové filtry jsou konstrukčně jednoduché, provozně spolehlivé a vysoce účinné. Velmi často jsou používány pro filtraci málo koncentrovaných rmutů, spřádacích lázní, motorových a převodových olejů, motorových paliv, těkavých rozpouštědel aj. kapalin, tavené síry. Obdobná konstrukce filtračních stanic je rovněž používána pro reverzní osmózu, ultrafiltrační a nanofiltrační zařízení.
161
V principu shodná konstrukce filtrů, ale s filtrační plochou až několika desítek m2, je používána pro čištění průmyslových plynů nebo vzduchu, např. ve výrobnách kyseliny sírové a dusičné, výrobnách technických plynů aj.
2
3 1
4 Obr. č. 7.17. Schéma svíčkového filtru 1 – přítok suspenze, 2 – filtrační přepážka, 3 – tlaková nádoba filtru, 4 – koncentrická trubka s výtokem filtrátu (vyčištěné kapaliny) 7.7.4
Bubnové filtry
K výkonným a v průmyslu hojně užívaným filtračním aparátům náleží kontinuální bubnové filtry s vnějším nebo vnitřním filtračním povrchem. Výkony dosahují až několika desítek tun krystalů a desítek m3 filtrovaných suspenzí za hodinu. Jsou konstruovány dva základní typy: - průtočné bubnové filtry pracující za atmosférického tlaku, - vakuové bubnové filtry. Filtračním materiálem jsou sítoviny z nerezavějící, termoplastů nebo tkaniny z přírodních či syntetických vláken. Filtrační materiál je navlečen na vnějším povrchu bubnu, proudí-li suspenze z vnější strany nebo na vnitřním povrchu, přitéká-li suspenze z vnitřní strany. Jeho životnost je dlouhá. Filtrační plocha dosahuje až několik desítek m2. Počet otáček bubnu bývá regulovatelný v rozmezí 0,1 – 3 otáčky za minutu. S ohledem na nízké otáčky je spolehlivost a životnost mechanických dílů velmi dlouhá, údržba a obsluha je jednoduchá, proto i levná. Tloušťka filtračního koláče dosahuje 10 i více mm. V případě vakuových bubnových filtrů je výhodou možnost postupného promývání a sušení filtračního koláče. Tím se výrazně zmenší znečištění koláče matečným roztokem, zvýší se čistota krystalického produktu. V bubnu je vakuum obvykle v rozmezí 150 – 650 mm Hg. Bubnové filtry jsou vhodné pro filtraci i velmi koncentrovaných suspenzí pro dobře filtrovatelné kaly nebo krystalické látky. Velkých výkonů je dosahováno při filtraci krystalických látek s velikostí krystalů nad 0,1 mm, s výhodou za horka, kdy je viskozita suspenzí nižší. Bubnové filtry s vnitřním filtračním povrchem pracující za atmosférického tlaku jsou používány při čištění odpadních vod pro odstraňování hrubších nečistot. Vakuové bubnové filtry s vnějším filtračním povrchem jsou v praxi častější a jsou používány pro filtrace suspenzí krystalických látek v průmyslových technologiích.
162
2
3
5
4
1
Obr. č. 7.19
Bubnový vakuový filtr 1 – přívod suspenze do vany bubnového filtru, 2 – přívod promývací kapaliny na filtrační koláč, 3 – odsávání prostoru bubnu a filtrátu vývěvou, 4 – stěrač filtračního koláče a jeho odvod za sušící zónou filtru. 5 – odsávání promývací kapaliny. Buben se otáčí ve směru hodinových ručiček.
7.7.5
Pásové filtry a pásové lisy
Pásové filtry a pásové lisy mají obdobné uplatnění jako bubnové filtry. Filtračními materiály jsou většinou polyesterové ale i ocelové tkaniny. Jejich výkony jsou srovnatelné – až desítky tun krystalů za hodinu. Konstrukčně jsou proti bubnovým filtrům pásové filtry i pásové lisy jednodušší, levnější investičně i provozně. Při srovnatelném výkonu zaujímají větší zastavěnou plochu i prostor. S výhodou jsou pásové filtry používány pro filtrace chladných suspenzí, kde nejsou uvolňovány plynné emise do pracovních prostor a ovzduší. Konstrukčně podobné pásovým filtrům jsou pásové lisy. Hlavní rozdíl tkví v tom, že filtrovaný materiál je uzavřen mezi dvěma pásy přitlačovanými k sobě válcovými kladkami. Jejich tlakem je z filtračního koláče vylisován filtrát. Filtrační koláč není promýván ani sušen, proto jsou používány prakticky jen pro odvodňování kalů z odpadních vod. 1
2
5
3 6 4 Obr. č. 7.20
7
Pásový vakuový filtr 1 – přívod suspenze na filtrační pás, 2 – přívod promývací kapaliny na filtrační koláč, 3 – filtrační pás umístěný v pryžovém nebo plastovém žlábku s kladkami, 4 – tři odsávací vaničky filtrátu, 5 – sušení filtračního koláče prosávaným vzduchem, 6 - stěrač filtračního koláče a jeho odvod, 7 – odsávání filtrátu a promývací vody vývěvou
163
Dříve uvedená filtrační zařízení jsou v průmyslové praxi nejužívanější. Pro speciální účely je používáno dalších konstrukčních typů filtrů, např. filtry vakuové listové a diskové, talířové, karuselové rovinné filtry typu Prayon nebo Oliver, stolové filtry aj. 7.8
Odstředivky
Odstředivky jsou uplatňovány pro rozdělování heterogenních směsí v odstředivém poli – účinkem odstředivé síly. Jsou používány pro rozdělování suspenzí (tuhých látek rozptýlených v kapalinách) nebo dvou či více vzájemně nemísitelných kapalin. Podmínkou je, že rozdíl v hustotách oddělovaných složek je min. 1%. Odstředivky jsou k rozdělení používány v případě, kdy pro vzájemné oddělení tuhých částic nepostačuje gravitační síla, separační proces je velmi pomalý a neúčinný nebo jsou suspenze špatně filtrovatelné – vysoký hydraulický odpor filtračního koláče brání průtoku filtrátu i při využití vakua nebo tlaku. Odstředivé zrychlení v pracovním prostoru odstředivek je běžně o dva nebo tři řády vyšší, než je zrychlení gravitační. Proto je výkon odstředivek na jednotku pracovního prostoru řádově vyšší, než u usazováků nebo filtrů, účinnost oddělení složek je jinými metodami při srovnatelné ceně nedosažitelná. Jsou rozlišovány dva základní typy odstředivek: • Sedimentační odstředivky (dekantéry a ultracentrifugy), • Filtrační odstředivky. 7.8.1
Dekantéry
Dekantéry, nebo-li sedimentační odstředivky jsou používány pro oddělení tuhých látek od kapalin Podmínkou je, že rozdíl v hustotách složek je min. 1%. Hlavním konstrukčním dílem dekantérů je rotující válcový buben s rovným dnem a relativně dlouhým kónickým víkem. V bubnu je umístěn vyhrnovací šnek sedimentu, jehož otáčky jsou cca o 10 % vyšší než u bubnu. Suspenze je nastřikována kontinuálně do bubnu dekantéru. Látka s vyšší hustotou (tuhá látka s vyšší hustotou) se shromažďuje u stěny bubnu, kapalina s nižší hustotou je dále od stěny, odkud je vystřikována otvory v rovném víku vně bubnu. Sediment je nepřetržitě shrnován vyhrnovacím šnekem z válcové sedimentační zóny dekantéru na opačnou stranu, než je výtok kapaliny, do tzv. kónické sušící zóny. Zde je dále snižován obsah kapalné fáze. Na konci kónické části bubnu je sediment vyhrnován do výstupní komory. Dekantéry zpracují až několik desítek m3 suspenze za hodinu a oddělí až několik tun pevných látek za hodinu. Sediment je většinou plastický někdy i částečně tekutý. Stupeň odvodnění nebo odstranění kapalné fáze je nižší než u filtrů, ale lepší než u usazováků. Proto bývají dekantéry používány k dalšímu odstranění kapalné fáze z odsazených kalů z usazováků různých typů. Vysoký výkon, nízká zastavěná plocha a zastavěný prostor s vysokou účinností jsou přednostmi dekantérů. Jejich nevýhodou jsou vyšší investiční a provozní náklady, vyšší nároky na kvalitu personálu údržby i provozu. Nejnamáhanějším dílem konstrukce dekantérů jsou hlavně vyhrnovací šneky, dále pak ložiska rotoru a převodové skříně. Značné problémy
164
může činit současně koroze a abraze vyhrnovacího šneku. Vhodnou volbou materiálu a návarky z tvrdokovu po obvodu šnekovnice ji lze renovovat a její životnost prodloužit. Buben a šnekovnice je nutné preventivně čistit proplachem vodou cca 1x/směnu. Těmito opatřeními lze prodloužit interval středních a generálních oprav. V těžkých provozních podmínkách např. chemického průmyslu jsou intervaly středních oprav cca po 3000 provozních hodin.
2
3
1
4
7
5
6
Obr. č. 7.21. Dekantér (sedimentační odstředivka) 1 – přívod suspenze, 2 – skříň dekantéru, 3 – sedimentační buben, 4 – vyhrnovací šnek, 5 – výstup sedimentu, 6 – výtok kapaliny 7 – koncentrické hřídele pohonu bubnu a šneku 7.8.2
Filtrační odstředivky
Hlavním konstrukčním dílem filtračních odstředivek je rotující buben nesoucí na vnitřní straně ocelové síto nebo textilní filtrační látku (plachetku). Buben se otáčí ve vertikální nebo horizontální rovině. 5 1 2
3
4444 4
4 6 7 Obr. č. 7.22
8
Diskontinuální filtrační odstředivka (konstrukce Weston) 1 – přívod suspenze, 2 – přívod promývací kapaliny, 3 - skříň odstředivky, 4 – buben s plachetkou a filtrační koláč, 5 – hřídel bubnu, 6 – vykrajovací nůž, 7 – výsyp filtračního koláče, 8 – výtok filtrátu a promývací kapaliny 165
V technické praxi jsou používány pro malé výkony odstředivky diskontinuální (laboratorní, poloprovozní i provozní), pro velké výkony (až desítky m3 suspenzí a tuny odfiltrované tuhé látky za hodinu) jsou používány odstředivky s kontinuálním provozem. Často používanou konstrukcí diskontinuálně pracující filtrační odstředivky je typ Weston. Ve válcové skříni je na hřídeli zavěšen perforovaný filtrační buben s plachetkou. Po rozběhu bubnu odstředivky na pracovní otáčky je suspenze nastřikována zhora na stěnu plachetky, kde se tvoří filtrační koláč. Pokud poklesne průtok filtrátu, je zastaven přívod suspenze a filtrační koláč je promyt promývací kapalinou, zpravidla vodou. Pak jsou otáčky bubnu sníženy na cca 5 - 10 % otáček pracovních a pomocí vykrajovacího nože je filtrační koláč s povrchu plachetky odstraněn. Vypadává otvorem ve dnu bubnu a skříně odstředivky. Pak se pracovní cyklus opakuje. Kontinuálně pracující filtrační odstředivky mají filtrační buben na vertikální nebo horizontální hřídeli. Filtrace probíhá na perforované stěně bubnu nebo na pletené ocelové sítovině či ocelovém raženém sítu. Buben má širší pásmo filtrační a užší pásmo promývací. Suspenze je nastřikována na začátek filtračního pásma bubnu, kde se tvoří filtrační koláč. Pomocí vyhrnovacího šneku, vyřezávacího nože nebo pulzujícího pístu je vzniklý filtrační koláč posunován k výsypu. Příkladem kontinuální filtrační odstředivky s vertikální osou rotace je např. konstrukce firmy Guinar, typ C55. 2 1
4
3
5 6 7 8
9 Obr. č. 7.23
Kontinuální filtrační odstředivka (konstrukce Guinard, typ C55) 1 – přívod suspenze, 2 – osa filtračního bubnu, 3 - přívod promývací kapaliny, 4 - skříň odstředivky, 5 – buben se sítem a filtrační koláč, 6 – vyhrnovací šnek, 7 - výtok filtrátu, 8 – výtok promývací kapaliny , 9 - výsyp filtračního koláče
166
Na trhu odstředivek je dostupná celá řada konstrukcí uzpůsobených speciální přáním zákazníků. Podle objemu odstřeďovaných suspenzí, koncentrací tuhých nebo kapalných částic a jejich disperzity je volen příslušný typ odstředivky, např. talířové, tryskové, vystřelovací, plnoplášťové, kapalinové separátory aj. Speciálním typem odstředivek jsou ultracentrifugy, které mají malý průměr bubnu (cca 50 - 150 mm) a otáčky kolem 50.000 – 100.000 ot.min-1, tj. řádově vyšší, něž je obvyklé u klasických odstředivek uvedených typů a konstrukcí. Jsou používány k oddělení suspenzí i emulzí, např. vosků z mazacích olejů, zákalů z jedlých olejů, složek vakcín a krevní plasmy aj. účely.
Kontrolní otázky: Jaké síly působí na isolovanou sedimentující částici v poli gravitačním, odstředivém, a elektrostatickém? 2. Co je to suspenze a jakými postupy lze suspenze rozdělit na složky? 3. Vyjmenujte několik typů filtrů! 4. Na jakém principu fungují filtrační zařízení, čemu je úměrná tlaková ztráta filtru? 5. Jaká zařízení jsou používána pro suché odprašování plynů, jaká je jejich účinnost? 6. Jaká zařízení jsou používána pro mokré odprašování plynů, jaké výhody a nevýhody mají mokré metody, jaká je jejich účinnost? 7. Kolikrát větší je odstředivé zrychlení např. v dekantéru proti zrychlení gravitačnímu? Načrtněte a popište funkci dekantéru! 8. Vyjmenujte alespoň čtyři typy filtračních zařízení pracujících kontinuálně a diskontinuálně! 9. Jaký je rozdíl mezi kontinuální a diskontinuální filtrační odstředivkou? 10. K jakému účelu jsou hlavně používány dekantéry a filtrační odstředivky? 1.
167
8.0.
Sdílení tepla
V kapitole 3.0. „Energetika“ bylo pojednáno o teple jako o jedné z forem energií. Předpokladem zvládnutí problematiky sdílení tepla – výměny tepla - je znalost I. a II. věty termodynamické a s nimi spojených pojmů jako je vnitřní energie, entalpie, práce, teplo, teplota, molární a měrná tepelná kapacita včetně znalosti výpočtů tepelných bilancí. Všechny uvedené pojmy jsou podrobně vysvětleny v předmětech typu Obecné a fyzikální chemie. Dosud bylo ve výuce o teple hovořeno jen z pohledu termodynamického, tj. bilancí energií a tepla, ustavení rovnovážných stavů mezi fázemi apod. Mechanismy sdílení tepla je řešena rychlost, tj. kinetika výměny tepelné energie. Předpokladem efektivního hospodaření s teplem je právě znalost zákonů kinetiky tepelných procesů – rychlosti sdílení tepla. V přírodě jsou procesy sdílení tepla velmi důležité pro temperování vody, půdy a atmosféry Země v úzkém rozmezí teplot, což rozhoduje o existenci života na Zemi. Dále uváděné mechanismy sdílení tepla zajišťují přenos tepelné energie např.: • záření ze Slunce na povrch Země, • přenos tepla mořskými proudy a prouděním v atmosféře z teplých oblastí ležících při rovníku do vyšších zeměpisných šířek 29, • mezi oceánem a pevninou, řídí charakter klimatu a jeho změny, • mezi plochami různě absorbujícími teplo – např. pouštěmi a skalnatými plochami, vodními, zalesněnými nebo zatravněnými či zemědělsky využívanými plochami ve vnitrozemí, • prouděním magmatu z nitra Země k zemské kůře, • pohybem litosférických desek zemské kůry, • vedením tepla horninami litosféry k zemskému povrchu apod. Sdílení tepla je součástí řady průmyslových procesů, např. chlazení nebo ohřevu, sušení nebo vlhčení, odpařování, destilace nebo kondenzace, tavení nebo krystalizace, absorpce, adsorpce nebo desorpce aj. technologických operací. Z uvedeného je patrné, že procesy sdílení tepla musí být a také jsou nedílnou součástí vytápění, větrání, chlazení, klimatizace, konstrukcí a tepelných izolací staveb, konstrukcí a zařízení rozvodů vody, tepla a přípravy teplé užitkové vody apod. Nutnou podmínkou sdílení tepla je rozdíl teplot v různých bodech prostoru, v různých bodech dané látky. Pro intenzitu sdílení tepla, tj. množství tepla, které se vymění mezi různými body prostoru, je rozhodující velikost teplotního spádu – teplotní gradient. Teplotní gradient je definován pro dvě isotermní plochy lišící se teplotou o ∆t při kolmé vzdálenosti mezi nimi dx výrazem: ∆t dt lim [ -------- ]∆x → 0 = --------(8.1) ∆x dx Golfský proud zajišťuje přenos tepla prouděním vody z oblasti Karibského moře do severního Atlantiku a Norského moře. Spolu s atmosférickým prouděním od západu nad Evropu způsobuje zvýšení průměrné teploty a tím oteplení klimatu ve střední a severní Evropě až o 10oC ve srovnání se shodnými zeměpisnými šířkami v Severní Americe. 29
168
Teplota v jakémkoliv bodu prostoru je obecně funkcí polohy tohoto bodu v prostoru a teploty. Potom za neustálených podmínek platí, že teplota t je funkcí polohy definované souřadnicemi x, y, z a času τ: t = f ( x, y, z, τ ) (8.2) y
t1
t2
dA
dA
dx z Za předpokladu:
x t1 ≠ t2
(8.3)
dochází mezi plochami dA , mezi nimiž je vzdálenost dx, k výměně tepla množství dQ. Hustota tepelného toku dq je definována výrazem: dQ dq = ------------dA . dτ
(8.4)
Hustota tepelného toku je množství tepla vyměněné na jednotce plochy za časovou jednotku. Rozměr hustoty tepelného toku vyjádřený v základních jednotkách je ( J . m-2. s-1 ). Běžně jsou v praxi používány jednotky násobné ( kJ . m-2. hod.-1 ).
Mechanismy sdílení tepla: Sdílení tepla probíhá třemi základními mechanismy a to buď jen některým z nich nebo jejich kombinací. Jsou rozlišovány následující mechanismy sdílení tepla: • • • 8.1.
kondukce (vedení), radiace (vyzařování) konvekce (proudění). Sdílení tepla vedením (kondukcí)
Sdílení tepla vedením je zprostředkováno vzájemnými srážkami stavebních částic hmoty – atomů a molekul. Tím si vzájemně předávají kinetickou energii, což se navenek projevuje vedením tepla a při neustálenosti procesu i změnou teploty.
169
Sdílení tepla vedením se uplatňuje přednostně v látkách pevného skupenství, v tekutinách – kapalinách a plynech - bývá jeho význam druhořadý oproti konvekci (viz dále). Velikost tepelného toku vedením je definována Fourierovým zákonem tepelné vodivosti: dt dq = - λ ---------- , dx
(8.5)
kde λ je součinitel tepelné vodivosti. Znaménko minus vyjadřuje směr tepelného toku do prostoru s nižší teplotou. Tepelná vodivost má v technické praxi užívaných jednotkách rozměr ( kJ. m-1. hod-1. oC-1 ). Lze odvodit diferenciální rovnici vedení tepla nepohyblivým prostředím, která se nazývá rovnicí Fourierovou: dt ------- = a ∇2 t , (8.6) dτ kde součinitel a je roven:
λ a = -------cp ρ
(8.7)
cp je měrné teplo a ρ je hustota příslušné látky. Za ustáleného vedení tepla je člen na levé straně diferenciální rovnice vyjadřující vliv času roven nule. Tepelná vodivost tuhých látek se vzájemně liší v širokém rozmezí: - tepelné isolace - stavební materiály - kovy
0,04 – 0,5 kJ. m-1. hod-1. oC-1 2,0 – 12,0 - „ 8,0 – 1500,0 - „ -
Tepelná vodivost je závislá na chemickém složení látek, vyjadřuje charakteristickou fyzikální vlastnost každé látky. Nejlepšími vodiči tepla jsou stříbro, měď, hliník a ocel. Hodnoty tepelných vodivostí jsou běžně uváděny ve fyzikálních a fyzikálněchemických tabulkách. Např. pro měď má tepelná vodivost hodnotu 1.400 kJ. m-1. hod-1. oC-1, pro hliník 744 kJ. m-1. hod-1. oC-1 , litinu 229 kJ. m-1. hod-1. oC-1, legovanou ocel 85 kJ. m-1. hod-1. oC-1. Tepelná vodivost tekutin je proti tuhým látkám o dva až tři řády nižší. Např. tepelná vodivost vody je za normální teploty 2,17 kJ. m-1. hod-1. oC-1 a vzduchu 0,085 kJ. m-1. hod-1. oC-1. Tepelná vodivost tuhých látek je závislá na teplotě a s rostoucí teplotou se zvyšuje, naopak u většiny kapalin je tomu naopak. Závislost tepelné vodivosti na teplotě je přibližně přímková a bývá vyjádřena rovnicí: λ = λo ( 1 + α t ) , (8.8) kde λ je tepelná vodivost při teplotě t oC a λo je tepelná vodivost při standardní teplotě 0 oC a α je teplotní součinitel. V technických výpočtech za předpokladu malé změny teploty (do 100 oC) je počítáno se středními hodnotami tepelných vodivostí.
170
Pro ustálené vedení tepla rovinnou stěnou o povrchu A, za čas τ složenou z několika vrstev lišících se tepelnou vodivostí a silou vrstvy δi a tepelné vodivosti λi platí rovnice: tS1 - tS2 Q = ----------------- A τ δi Σ --------λi
(8.9)
t ( C) o
tS1
δ1
δ2
δ3
δ4
tS2 δ (m)
tS1 je teplota na jedné straně vícevrstvé stěny, tS2 je teplota na druhé straně stěny. Teplotní spád ve stěně je patrný z grafu. Obdobně pro ustálené vedení tepla vícevrstvou válcovou stěnou o poloměrech vrstev ri a délce L platí rovnice: 2 π ( tS1 - tS2 ) Q = ----------------------------------- L τ (8.10) 1 ri + 1 Σ --------- 2,3 log -------λi ri Rovnice (8.9 a 8.10) jsou důležité pro výpočty tepelných izolací a minimalizaci tepelných ztrát na rovinných stěnách (např. budov) a válcových stěnách (např. potrubí a skladovacích zásobníků). 8.2.
Sdílení tepla sáláním (radiací)
Vznik tepelných paprsků, které jsou výsledkem přeměny tepelné energie v energii záření, se nazývá sáláním (radiací). Fyzikální podstatou tepelného - infračerveného záření je dlouhovlnné elektromagnetické záření s vlnovou délkou 800 – 4000 nm. Šíření elektromagnetického záření není vázáno na hmotné prostředí, šíří se i ve vakuu. Pro šíření infračerveného záření platí zákony odrazu, lomu a pohlcování obecně platné pro elektromagnetické záření. Při dopadu záření na fázové rozhraní dochází k odrazu záření R (reflexi), pohlcování záření A (absorpci) v druhém prostředí a průchodu záření druhým 171
prostředím D. Je-li množství zářivé energie dopadající na fázové rozhraní rovno jedné, pak platí rovnice: R + A + D = 1
(8.11)
Pro teoretické řešení mezních situací pro odraz, absorpci a průchod záření určitým prostředím je ve fyzice zaveden pojem absolutně černého tělesa, pro které platí, že veškerá energie záření je jím absorbována: A = 1, R = D = 0
(8.12)
Pro absolutně bílé těleso platí, že veškerá energie záření je odražena: R = 1, A = D = 0
(8.13)
Pro reálná tělesa bývá stanoven „stupeň černosti“ nebo bývají označována za šedá. Např. petrolejové saze, platinová čerň a drsné oxidované železo mají stupeň černosti 90 – 95 %, tj. 90 – 95 % energie dopadajícího záření absorbují. Tuhá tělesa absorbují energii záření libovolných délek. Naopak plyny absorbují energii záření jen v přesně vymezených rozmezích vlnových délek. Dle Stefan – Boltzmannova zákona je zářivost určitého tělesa E (množství vyzářené energie) funkcí vlnové délky záření λ a absolutní teploty T povrchu tělesa, což lze obecně formulovat vztahem: E = f ( λ, T ) (8.14) Intenzita záření je definována jako množství energie vyzářené jednotkovou plochou za časovou jednotku na jednotku délky:
Iλ
dEλ = --------dλ
(8.15)
Intenzita záření různých těles při téže teplotě a stejné vlnové délce je různá a pro každou vlnovou délku a teplotu je definována mez intenzity záření, která se označuje jako Iλ0 . Intenzitu záření absolutně černého tělesa lze určit z teoretické závislosti:
Iλ0
C1 λ-5 = ------------------C2 - -----e λT - 1
(8.16)
kde C1 a C2 jsou konstanty, λ je délka vlny a T je absolutní teplota. Spojením rovnic (8.15. a 8.16.) lze zářivost absolutně černého tělesa vyjádřit integrálem:
Eo =
∞ ∫ Iλ0 dλ 0
(8.17)
172
Integrací vztahu (8.16.) je zářivost absolutně černého tělesa Eo : Eo = Ko T4 ,
(8.18)
kde Ko je součinitel vyzařování absolutně černého tělesa: Ko = 20,73 . 10-8
kJ . m-2 . h-1 . K-4
(8.19)
Stefan –Boltzmannův zákon vyzařování se zpravidla píše ve tvaru: T Eo = Co ( ------- )4 100
,
(8.20)
podle něhož je zářivost absolutně černého tělesa přímo úměrná 4. mocnině absolutní teploty jeho povrchu. Pro součinitel sálání absolutně černého tělesa Co platí: Co = 20,73 kJ . m-2 . h-1 . K-4 (8.21) Dle Kirchhoffova zákona je sálavost E součinem pohltivosti A a sálavosti Eo : E = Eo A
(8.22)
Potom pro sálavost reálného tělesa platí: T E = Co ε ( -------- )4 100
,
(8.23)
kde ε je stupněm černosti – jedná se o poměr součinitelů sálání šedého tělesa C a absolutně černého tělesa Co při stejné absolutní teplotě: C ε = ---------Co
(8.24)
Množství energie předávané sáláním mezi dvěma shodnými plochami lišícími se teplotou je dáno vztahem:
E = C1-2
T1 T2 4 F τ [( ------- ) - ( ---------)4 ] ϕ 100 100
,
(8.25)
kde F1 je plocha sálajícího tělesa F2 plocha tělesa, na níž záření dopadá, τ je čas, ϕ je úhlový součinitel, T1 absolutní teplota teplejšího tělesa, T2 absolutní teplota chladnějšího tělesa, C1-2 je společný součinitel sálání - vyzařování dvou ploch vzájemně od sebe vzdálených r : C1 . C2 C1-2 = -------------(8.26) 20,73 173
1 cos ϕ1 cos ϕ2 ϕ = ------ ∫∫ -------------------- dF1 dF2 F π r2
r
F1, T1, C1
ϕ1
(8.27)
F2, T2, C2 ϕ2
Sálání tepla u kapalin je principielně obdobné tuhým látkám. Praktické využití je minimální, větší význam má jen při bilancování ztrát tepla např. z tavenin solí nebo kovů. Za normálních teplot je sálání kapalin nevýznamné proti sdílení tepla konvekcí nebo kondukcí. Tabulka č. 8.1.
Závislost stupně černosti na materiálu a jeho povrchové úpravě ε
Materiál
Teplota (oC)
Hliník – zoxidovaný - leštěný Olovo – zoxidované
200 – 600 225 – 575 200
0,11 – 0,19 0,039– 0,057 0,63
Měď – zoxidovaná
200 – 600
0,57 – 0,87
Ocel – zoxidovaná - broušená
200 – 600 940 – 1100
0,8 0,55 – 0,61
Litina – zoxidovaná - opracovaná
200 – 600 830 – 910
0,64 – 0,78 0,6 – 0,7
Cihly
20
0,93
Sálání tepla u kapalin je principielně obdobné tuhým látkám. Praktické využití je minimální, větší význam má jen při bilancování ztrát tepla např. z tavenin solí nebo kovů. Za normálních teplot je sálání kapalin nevýznamné proti sdílení tepla konvekcí nebo kondukcí. Sálání plynů se zásadně liší od sálání tuhých těles nebo kapalin. Infračervené záření se jimi šíří v širokém pásmu vlnových délek. Dle Kirchhoffova zákona plyny vyzařují a absorbují infračervené záření jen určitých vlnových délek, absorpce nebo sálání plynů má selektivní charakter:
174
Tabulka č. 8.2
Pásma nejvyšší absorpce infračerveného záření vodní parou a oxidem uhličitým
Plyn nebo pára
pásma pohlcování od λ1
do λ2 (µm)
interval vlnových délek šířka pásma (µm)
vodní pára
2,24 4,80 12,00
3,27 8,50 25,00
1,03 3,70 13,00
oxid uhličitý
2,36 4,01 12,50
3,02 4,80 16,50
0,66 0,79 4,00
Tato skutečnost je významná pro vznik skleníkového efektu v atmosféře Země. Z tohoto pohledu jsou do skupiny tzv. skleníkových plynů řazeny metan aj. uhlovodíky včetně jejich derivátů, především freonů. Daleko nejvýznamnější látkou způsobující skleníkový efekt v atmosféře Země je voda ve formě par a kapek. Pokud je plyn s teplotou T a pohltivostí AG uzavřen v dutém tuhém tělese s vnitřní plochou F a povrchovou teplotou Tc , pak si plyn se stěnou nádoby vymění sáláním energii E: E = εT Co
T TC 4 F τ [ εG ( ------- ) - AG ( ---------)4 ] 100 100
,
(8.28)
kde εT je efektivní stupeň černosti dutého tuhého tělesa, Co je součinitel sálání absolutně černého tělesa a εG je stupeň černosti plynu vyjádřený jako poměr energie záření absorbované plynem EG ku energii záření absorbované absolutně černým tělesem Eo : εG = S vyhovující přesností platí:
EG --------Eo
εG = AG
(8.29)
(8.30)
a příslušný člen lze v rovnici (8.29) vytknout před hranatou závorku. 8.3.
Sdílení tepla prouděním (konvekcí)
Základem sdílení tepla prouděním je pohyb prostředí – proudění tekutin a jejich kontakt s okolními tuhými látkami (resp. tuhými stěnami) s odlišnou teplotou. Tekutiny tuhým látkám tepelnou energii předávají, je-li jejich teplota vyšší. Tekutiny tepelnou energii s povrchu tuhé látky odvádějí, je-li jejich teplota nižší, než je teplota tuhých látek.
175
Sdílení tepla prouděním je teoreticky méně propracováno, než sdílení tepla vedením nebo sáláním. S ohledem na počet proměnných je jeho matematický popis mnohem složitější. Předávání tepelné energie mezi tuhou látkou a proudící tekutinou je nazýváno přestupem tepla. Základem konvektivního přestupu tepla jsou děje odehrávající se v blízkosti povrchu tuhé látky – teplosměnného povrchu (např. stěn výměníků tepla, povrchů topidel, stěn stavebních objektů, povrchu půdy) ale i u povrchu - hladiny kapaliny (např. hladiny moře nebo jezera, hladiny roztavených solí nebo kovů). V bezprostřední blízkosti nepohyblivého teplosměnného povrchu je předpokládána prakticky nehybná vrstvička tekutiny, kde je teplo přenášeno pouze vedením. Dále od teplosměnného povrchu je tzv. laminární podvrstva proudící tekutiny. Ta vyvolává podélné proudění u stěny i příčné proudění od stěny i ke stěně spojené s více či méně intenzívním promícháváním celého objemu tekutiny. Konvekcí je zajištěn přenos tepelné energie od teplosměnné plochy do jádra tekutiny, přesněji do objemu tekutiny, kam konvekcí vyvolané proudění zasahuje. Je rozeznáváno proudění tekutin: •
přirozené – jeho základem je pouze rozdíl teplot tekutiny v různých částech prostoru, což má za následek rozdíly v hustotě tekutin. Tímto způsobená diference hydrostatického tlaku v gravitačním poli Země potom vyvolává v první řadě vertikální proudění – chladná tekutina s vyšší hustotou proudí směrem dolů, naopak teplejší tekutina s nižší hustotou proudí směrem vzhůru. Příkladem je např. přirozená cirkulace vzduchu ve vytápěné místnosti, komínový tah, cirkulace kapaliny v nádobě s vyhřívaným dnem nebo stěnami.
•
nucené – je vyvoláno dodávkou mechanické energie tekutině např. čerpadlem, míchadlem, ventilátorem. Nucené proudění je využíváno tam, kde je nutné přestup tepla intenzifikovat. Při některých procesech je viskozita kapalin vysoká (zpravidla při odpařování zahušťovaných roztoků, odpařovací krystalizaci nebo při ochlazovací krystalizaci), kdy při dalším odpařování rozpouštědla nebo chlazení roztoku viskozita kapaliny či vznikající suspenze dále stoupá. Pak je přirozená cirkulace roztoku příliš nízká nebo ustane pro vysoké ztráty energie v proudící kapalině v důsledku vyššího vnitřního tření (viskozity). Intenzita přestupu tepla prudce klesá.
Za předpokladu přirozeného proudění, které je méně intenzivní než proudění nucené, je síla laminární podvrstvy velká, příčný pohyb tekutiny je pomalejší a přestup tepla je nízký. Při nuceném proudění je tomu naopak. Konvektivní přestup tepla je definován Newtonovým zákonem ochlazování: Dle tohoto zákona je množství tepla dQ odevzdaného za čas dτ na ploše dF přímo úměrné součiniteli přestupu tepla α , rozdílu teplot pevné stěny tS a teploty tekutiny tL (resp. v diferenciální rovnici gradientu teploty dt): dQ = α ( tS - tL ) dF dτ
(8.31)
176
Při hustotě tepelného toku dq , pro který platí rovnice: dQ dq = ------------dA . dτ
(8.4)
lze rovnici (8.31) přepsat do tvaru: q = α ( tS - tL )
(8.32)
Pro součinitel přestupu tepla α je používán rozměr ( W . m-2. K-1 ). Velikost součinitele přestupu tepla je závislá na: • • • • • •
druhu tekutiny – plyn, pára, kapalina, rychlosti v a charakteru proudění – laminární až turbulentní, typu proudění – přirozené nebo nucené, tvaru a rozměrech teplosměnných stěn - jejich charakteristickém rozměru (průměr d nebo délka L), stavu a vlastnostech tekutiny – teplotě t , tlaku p , hustotě ρ , měrném teplu cP , tepelné vodivosti λ, dynamické viskozitě η, teplotě stěny tS .
Obecně lze napsat, že součinitel přestupu tepla α je funkcí: α = f ( t , p , ρ , cP , λ, η, v, tS , d, L , …)
(8.33)
Při sdílení tepla mezi pevnou stěnou a proudící tekutinou musí platit, že hustota tepelného toku vedeného stěnou qS je rovno hustotě tepelného toku qK (množství tepelné energie), který z jejího povrchu přestoupí do objemu tekutiny: qS = qK dt - λ ---------- = α ( tS - tL ) , dx
(8.34)
(8.35)
Ze zákonů hydromechaniky a rovnice (8.34) lze odvodit dále uvedené kriteriální vztahy: - kritérium Reynoldsovo zahrnující hydrodynamické podmínky a určující charakter proudění: v. ρ . d Re = ------------η -
(8.36)
kritérium Pécletovo zahrnující vliv tepelných vlastností látek: 177
v.l Pe = ---------a
(8.37)
λ a = ---------cp . ρ
(8.38)
- kritérium Nusseltovo zahrnující konvektivní přestup tepla a tepelnou vodivost: α . l Nu = ---------λ
(8.39)
- kritérium Prandtlovo zahrnující vliv vnitřního tření a tepelných konstant látek: η . g . cp Pr = -----------λ -
(8.40)
kritérium Eulerovo zahrnující vliv tlakových ztrát: ∆p
Eu = -----------
(8.41)
ρ.v
2
-
kritérium Grashoffovo zahrnující především vliv změny teploty a materiálových konstant látek: g . l3 Gr = ------------ ρ2 . β . ∆t , (8.42) γ2
kde γ je kinematická viskozita, tj. podíl viskozity dynamické a hustoty tekutiny. Z textu o mechanismu konvektivního přestupu tepla a součiniteli přestupu tepla je patrné, že lze stanovit obecnou funkci mezi kritérii typu: Nu = f ( Re, Pr, Gr, lo , l1 ,… la )
(8.43)
která je psána ve tvaru:
l (8.44) Nu = K . Re . Pr . Gr . ( ------- )d , lo kde K, a, b, c, d jsou experimentálně zjištěné konstanty, kde zpravidla K = 0,023 , a = 0,8 , b = 0,4 , c = 0 až 0,1, d = 0,6 až 1,0 Hodnoty konstant se mění dle charakteru proudění a poměrů charakteristických rozměrů, např. délek teplosměnných trubek ku jejich průměru apod. a
b
c
178
8.4.
Prostup tepla
Prostupem tepla je rozuměn přenos tepelné energie z jednoho prostoru s první tekutinou odděleného pevnou stěnou od druhého prostoru s druhou tekutinou. Při výměně tepla za ustálených podmínek na pevné rovinné stěně jedno nebo vícevrstvé potom platí rovnice: Q = K . ∆t . F . τ , (8.45) kde K je koeficient prostupu tepla definovaný rovnicí: 1 K = ------------------------------1 1 δi ---- + ---- + ∑ ----α2 λi α1
,
(8.46)
kde α1 je koeficient přestupu tepla z jedné strany teplosměnné plochy, α2 je koeficient přestupu tepla z druhé strany teplosměnné plochy, λi jsou tepelné vodivosti materiálu (nebo všech materiálů v případě vícevrstvé stěny) a δi je síla stěny (nebo síly vrstev). Příklad: Níže uvedený schématický obrázek naznačuje např. cihlovou stěnu budovy o síle zdiva δ3 a tepelnou vodivostí λ3 , s tepelnou isolací o síle δ2 a tepelnou vodivostí λ2 , vnitřní a vnější omítkou o síle δ4 a δ1 a tepelnými vodivostmi λ4 a λ1 . Kolem stěny zvenčí proudí atmosférický vzduch rychlostí v1 s teplotou t1 . V místnosti je přirozené proudění vzduchu s rychlostí v2 s teplotou t2 : v2 t1
t2
v1 α1
δ1 δ2
δ3
δ4
α2
Je-li t2 > t1 , pak teplo proudí z vnitřního prostoru do okolní atmosféry - představuje tepelné ztráty objektu. Přestup tepla z vnitřního vzduchu na vnitřní stranu stěny objektu charakterizuje koeficient přestupu tepla konvekcí α2, teplo je vedením přenášeno všemi vrstvami až na povrch venkovní stěny objektu, odkud přestupuje do okolní atmosféry opět konvekcí s koeficientem přestupu tepla α1 . Prostup tepla stěnou objektu je tvořen dvěma mechanismy – konvekcí z vnitřní a vnější strany objektu a kondukcí uvnitř čtyřvrstvé stěny objektu. Radiace vnější stěny bývá proti konvektivnímu přestupu tepla zanedbatelně malá, proto se s ní ve výpočtech tepelných ztrát stěnami objektů zpravidla neuvažuje.
179
8.5.
Zahřívání, chlazení a kondenzace
V technologické praxi je zahřívání jedním z nejčastějších pochodů. Zahřívání je nezbytné např. pro přípravu teplé užitkové vody, vytápění, urychlení chemických reakcí, realizaci odpařování, destilací a rektifikací, sušení nebo úpravě, sterilizaci a konzervaci potravin. Tepelnou energii lze získat z přímých zdrojů tepla různými způsoby: • ve formě horkých spalin fosilních nebo recentních paliv, • z jaderných zdrojů (ve formě chladiv, např. obyčejné nebo těžké vody, CO2, roztaveného sodíku), • z elektřiny (v odporových, indukčních, obloukových nebo odporově-obloukových pecích), • ze slunečních kolektorů, • z geotermálních zdrojů. Jako teplonosných médií je používána: • horká voda, • vodní pára sytá nebo přehřátá, • uhlovodíky (minerální oleje) nebo jejich deriváty, • roztoky nebo taveniny anorganických solí, • roztavené kovy, • teplo odpadních plynů a par nebo kapalin. Volba teplonosného média se řídí následujícími podmínkami • potřebná teplota a možnost její regulace např. změnou tlaku, • napětí par a termická stabilita, • měrné teplo a výparné teplo, • bod tuhnutí a bod varu, • chemické vlastnosti (inertnost v daném systému), • toxicita, • hořlavost a výbušnost par, • dostupnost a cena, • bezpečnost procesu. 8.5.1. Zahřívání a)
Zahřívání spalinami
Vůbec nejčastějším teplosměnným médiem jsou spaliny fosilních paliv, hlavně uhlí, koksu, topných plynů a topných olejů, ale také spaliny recentních paliv, především dřeva. Jsou běžně používány pro zahřívání zpracovávaných materiálů na teploty kolem 1000 oC. Pro dosažení vysokých teplot při kalcinacích (žíhání) surovin, polotovarů, tepelném zpracování kovů, výpalech vápenců a slínovců při výrobě cementu, tavení skla, výpalu nebo slinování keramických hmot aj. procesech je s výhodou využíváno spalin ropných paliv (lehký topný olej LTO nebo těžký topný olej TTO), ale zejména topných plynů, především zemního plynu, ale také propanbutanu a bioplynů. Lze tak dosáhnout teplot 1500 – 2000 oC.
180
b)
Vodní a parní ohřev
Nejdůležitějším teplonosným médiem pro rozvod tepelné energie je horká voda a vodní pára. Hlavní důvody pro její užití jsou především v dostupnosti a nízké ceně, vysoké měrné teplo a vysoké výparné teplo při současně vysoké bezpečnosti používání. Rovněž dosažitelné koeficienty přestupu tepla, zejména při kondenzaci vodní páry, jsou vysoké, což umožňuje minimalizovat teplosměnné plochy. To vede ke snížení rozměrů a ceny teplosměnných zařízení. Nevýhodou vody je nutnost zvyšování tlaku, má-li se užívat vodní páry pro ohřev na teploty vyšší než 80 – 90 oC. Použití vodní páry pro ohřev je z tohoto důvodu efektivní do teploty max. 200 oC. Je používán parní ohřev: • •
c)
nepřímý ve výměnících tepla, kdy je ohřívané médium od kondenzující páry odděleno pevnou stěnou, přímý, kdy je pára zaváděna přímo do ohřívané vody nebo vodných roztoků. Nevýhodou je ředění roztoků parním kondenzátem. Jedná se tzv. směšovací výměníky tepla. Ohřev elektrickým proudem
Pro tavby, výpaly, slinování a vybrané chemické syntézy (elektrotermické výrobní procesy) je využíváno elektrického odporového, odporově-obloukového a obloukového ohřevu. V hutnictví je rovněž obvyklý indukční ohřev vsádky pecí. Odporovým topením je dosahováno teplot do cca 1900 oC. Omezení teploty jsou dána termickou stabilitou izolačních materiálů vodičů cívek indukčního ohřevu nebo bodem tání odporových materiálů (topných těles ze slitin kovů nebo keramiky) a korozívním účinkem atmosférického kyslíku. Ohřevem v elektrickém oblouku lze dosáhnout teplot do cca 3200 oC. Výhodou elektrického ohřevu je dosažitelnost vysokých teplot, ale na technologicky složitém a proto drahém zařízení. Rovněž vysoká cena elektřiny limituje použitelnost elektrického ohřevu pouze pro výrobu drahých jinak nevyrobitelných produktů (např. karbidů, nitridů, silicidů a boridů kovů). 8.5.2. Chlazení a)
Vodní chlazení nepřímé a přímé
Pro chlazení je nejčastější použití povrchové vody. Její teplota je ale značně proměnná dle ročního období. V našich klimatických podmínkách se pohybuje obvykle od 0 do cca 25 o C. Použitím podzemní (studniční) vody lze kolísání teplot omezit na rozpětí cca 5 – 15 oC. Zahřátí tvrdé studniční chladící vody nad teplotu 40 oC je spojeno s vylučováním usazenin (inkrustů) anorganických solí. Příčinou je přeměna rozpustných hydrogenuhličitanů na nerozpustné uhličitany vápenaté a hořečnaté způsobující přechodnou tvrdost vody: Ca(HCO3)2
←→ CaCO3
+ CO2 + H2O
Mg(HCO3)2 ←→ MgCO3 + CO2 + H2O
181
Inkrusty - úsady uhličitanů vápenatých a hořečnatých na povrchu zanášejí potrubí a teplosměnné plochy výměníků tepla, což zhoršuje prostup tepla a účinnost chladičů. Z uvedených důvodů lze vodou spolehlivě chladit na teploty kolem 40 oC v letním období a na teploty kolem 15 oC v zimním období závisle na hydraulických podmínkách a typech výměníků tepla. V některých případech je vodní chlazení realizováno přímým nástřikem vody do proudu plynů nebo par. Chlazení plynů je zajištěno především odparem nastřikované vody. Potlačení koroze, inkrustace a růstu řas je dosahováno přísadami regulujícími pH a zajišťujícími pasivaci kovových povrchů (alkalické hydroxidy, kyselina fosforečná). Přídavkem nemrznoucích směsí na bázi vícesytných alkoholů je snižován bod tuhnutí vody nebo vodných roztoků (např. fridex pro chladící soustavy motorových vozidel, frikoterm pro topné soustavy ústředního topení). b)
Vzduchové chlazení nepřímé a přímé
Výhodou vzduchového chlazení je všeobecná dostupnost chladícího vzduchu. Proto je chlazení pomocí atmosférického vzduchu v technické praxi používáno velmi často. Základem je nucené proudění vzduchu kolem teplosměnných ploch. Při nepřímém chlazení, např. ve vzduchem chlazených kondenzátorech nebo v chladičích motorových vozidel, proudí vzduch z vnější strany trubek opatřených chladícími žebry pro zvýšení teplosměnné plochy. Při přímém chlazení proudí vzduch bezprostředně kolem chlazeného materiálu, např. v chladících bubnech, fluidních chladičích, stříkacích věžích granulace apod. Vzduchové chlazení má ale také několik nevýhod. Vyplývají z nízkého měrného tepla vzduchu a nízkého koeficientu přestupu tepla. To způsobuje potřebu velkých teplosměnných ploch a velkou spotřebu chladícího vzduchu. Jeho doprava je spojena s relativně velkými energetickými nároky na pohon ventilátorů. K nevýhodám přistupují velké výkyvy teploty atmosférického vzduchu mezi ročními obdobími, ale i mezi dnem a nocí. Vzduchové chlazení je proto v našich klimatických podmínkách spolehlivě použitelné pouze pro chlazení na teploty kolem 50 oC v letním období a na teploty kolem 0 oC v zimním období. c)
Strojní chlazení
Chlazení materiálů a kondenzace par pomocí odpařování nízko vroucích kapalin (amoniaku, oxidu uhličitého, kapalného dusíku, uhlovodíků nebo freonů) je vhodné pro dosažení nízkých teplot hluboko bod 0 oC. Odpařené chladivo je nutné recirkulovat kompresí a opětným zkapalněním chladiva (systém strojního chlazení), což je spojeno s vysokou spotřebou energie. Strojní chlazení a kondenzace jsou energeticky náročné. Pro obecně vysokou potřebu chlazení jsou systémy strojního chlazení používány velmi často hlavně v průmyslu chemickém, potravinářském (např. masokombináty, mlékárny, mrazírny), v obchodní síti a domácnostech.
182
Teplosměnným médiem v chladících okruzích kondenzačních stanic s kompresorovým chlazením je u velkokapacitních zařízení zpravidla čpavek, u menších starších chladících zařízení freony. Ty jsou při renovacích nebo v nových chladících zařízení nahrazeny uhlovodíky, např. cyklopentanem. V průmyslových chladících a kondenzačních stanicích, ale i na zimních stadionech, je zpravidla používáno strojní kompresorové chlazení s pomocným teplosměnným médiem – nejčastěji solankou (koncentrovaným roztokem chloridu solného) chlazenou např. vroucím čpavkem. Dále je uvedeno zjednodušené blokové schéma stanice s kompresorovým chlazením používané v průmyslových podmínkách: 3 2
5 4
1
6 8 7 Obr. č. 8.1. Schéma strojního chlazení 1 – kompresor, 2 – vstup stlačeného plynného chladiva do kondenzátoru chladiva, 3 – přívod chladícího vzduchu nebo vody, 4 – přívod zkapalněného chladiva do chlazeného prostoru přes redukční ventil, 5 – vstup chlazeného materiálu, 6 – výstup chlazeného materiálu, 7 – výstup kondenzátu z chladícího prostoru, 8 – přívod zplyněného chladiva do kompresoru Plynné chladivo je po stlačení pístovým nebo rotačním kompresorem zkondenzováno ve vodním nebo vzduchovém kondenzátoru chladiva. Zkapalněné chladivo vstupuje po snížení tlaku na redukčním ventilu do výparníku chladící komory. V něm se chladivo odpařuje teplem přiváděným chlazeným materiálem. Kondenzující vodní páry jsou odváděny samostatně. Zplyněné chladivo se vrací zpět do kompresoru. Popsaný princip kompresorového chlazení je shodný s principem funkce chladniček, mrazáků, chladících boxů a stolů, je součástí klimatizačních zařízení v temperovaných objektech a dopravních prostředcích, je rovněž součástí tepelných čerpadel. 8.5.2. Výměníky tepla Výměníky tepla umožňují předávání tepla mezi tekutinami lišícími se teplotou, což je významné při chlazení, ohřívání, kondenzaci a odpařování. Existuje celá řada konstrukčních typů výměníků tepla. Výměníky tepla jsou vyráběny z kovů, především oceli, ale také skla, keramiky, grafitu nebo termoplastů. K nejběžnějším a nejvíce užívaným typům náleží výměníky: 183
•
směšovací – tekutiny jsou ve vzájemném přímém kontaktu – buď jsou vzájemně nemísitelné nebo jejich mísitelnost dalšímu využití nevadí (např. ředění ohřívaného roztoku parním kondenzátem, kondenzace par ve směšovacím kondenzátoru odparek nebo parních turbin nástřikem vody, chlazení proudu horkých plynů odparem nastřikované vody),
•
rekuperační výměníky – využívají ohřevu vestavby s velkou tepelnou kapacitou uvnitř výměníku, např. spalinami, a po zastavení průtoku spalin je vyhřátou vestavbou (vyzdívkou) teplo předáváno do proudícího chladného plynu (např. předehřívače spalovacího vzduchu přiváděného do vysokých pecí, chladiče a kondenzátory zkapalňovacích stanic vzduchu),
•
výměníky s tepelnými trubicemi – jsou určitou obdobou regeneračních výměníků, kde proudění pomocného teplosměnného média v uzavřených trubicích spojujících dva samostatné prostory zajišťuje výměnu tepla mezi mediem ohřívaným a ochlazovaným,
•
regenerační výměníky – tekutiny jsou vzájemně odděleny pevnou rovinnou nebo válcovou stěnou, jedná se o nejčastější typy výměníků dále uvedených konstrukcí:
a)
Duplikátory Duplikátory náleží po přímém ohřevu nebo chlazení k nejjednodušším zařízením na sdílení tepla. Principem konstrukce duplikátorů jsou nádoby, které mají dvojité stěny a dno. Topné nebo chladící médium je zaváděno do meziprostoru dvojitých stěn a dna. Výhodou duplikátorů je jejich jednoduchá výroba, snadná údržba a proto nízká cena pořizovací i příznivé provozní náklady. Nevýhodou je relativně malá teplosměnná plocha a nízký koeficient prostupu tepla i při intenzivním míchání obsahu nádob. Přesto jsou velmi často používaným zařízením jak v průmyslu chemickém tak potravinářském a farmaceutickém. V těchto případech se zpravidla nejedná jen o výměníky tepla, ale především o temperované chemické reaktory. Časté je také použití duplikátorů v maloobjemových čtvrt- nebo poloprovozních výrobách. 1
2 3
4
5
6 5 Obr. č. 8.2.
Schéma chladícího duplikátoru 1 – vstup, 2 - výstup kapaliny, 3 - plášť a víko nádoby, 4 – duplikátorový plášť, 5 – výstup oteplené vody, 6 – vrtulové míchadlo, 7 – přívod chladící vody
184
b)
Trubkové hady a spirálové výměníky tepla
Ocelové trubkové hady nebo spirálové výměníky jsou vloženy do jednoduchých válcových nádrží s vnější tepelnou isolací. Pokud neobsahují ohřívané nebo chlazené kapaliny nerozpustné sedimentující tuhé částice, nejsou opatřeny míchadly a využívá se jen přirozené cirkulace kapaliny v nádrži. Použití trubkových hadů nebo spirálových výměníků je časté hlavně ve skladovacích nádržích chemikálií, těžkých topných olejů aj. nízkotuhnoucích materiálů pro jejich temperaci. Ohřev je zajištěn horkou vodou nebo vodní párou, naopak jejich chlazení vodou nebo podchlazenou solankou. Pro speciální účely jsou trubkové hady vyráběny i ze skla nebo termoplastů. Výhodou těchto typů výměníků je nízká pořizovací cena, snadná obsluha i údržba. Nevýhodou je vysoká tlaková ztráta proudící tekutiny v hadech. Proto se zpravidla volí rychlost proudění kapalin kolem 1 m.s-1, rychlost proudění páry kolem 10 m.s-1, což limituje dosažitelný koeficient prostupu tepla. Prostup tepla lze intenzifikovat mícháním kapalin vrtulovými, turbinovými, lopatkovými nebo spirálovými míchadly. c)
Dvoutrubkové výměníky tepla
Dvoutrubkové výměníky tepla (výměníky typu trubka v trubce) jsou výrobně velmi jednoduché a spolehlivé, jejich pořizovací cena je oproti dalším typům výměníků relativně nízká. Vysoké rychlosti prodění v trubkách umožňují dosažení vysokých koeficientů prostupu tepla, což vede ke snížení velikosti teplosměnných ploch oproti předchozím výměníkům tepla. Výkon výměníků lze snadno zvýšit přidáním další sekce paralelně nebo do série, čímž se zvětší teplosměnná plocha. Jednoduchá konstrukce umožňuje jejich výrobu nejen z kovů, ale také ze skla. To je výhodné v korozně náročných podmínkách. Ohřívaná tekutina může proudit souproudně, tj. ve stejném směru jako topné médium, nebo protiproudně. Tato konstrukce bývá také používána pro vysokotlaké výměníky tepla a chemické reaktory, např. pro vysokotlakou syntézu polyetylénu. Stejná konstrukce bývá užívána i pro tzv. filmové odparky (viz dále). 2
1
3
4 Obr. č. 8.3.
Řez dvoutrubkovým protiproudým výměníkem tepla 1 – přívod chladné tekutiny, 2 – přívod topné páry, 3 – odvod ohřáté tekutiny, 4 -odvod parního kondenzátu
Svazkové výměníky tepla Základem konstrukce svazkového výměníku tepla je válcová nádoba s hluboce klenutým dnem a víkem. Uvnitř je vložena trubkovnice s několika desítkami až stovkami d)
185
trubek přímých nebo U-trubek. Prochází-li topné nebo chladící médium trubkovnicí výměníku pouze jednou, jedná se o jednochodé výměníky, prochází-li vícekrát, jedná se o vícechodé výměníky. Délkou výměníku, počtem a průměrem trubek je určena teplosměnná plocha, tj. výkon výměníku. Vyráběny jsou z kovů (oceli, mědi nebo hliníku), ale také ze skla, keramiky, termoplastů nebo grafitu. Při volbě materiálu výměníku a zejména jeho trubkovnice rozhodují korozní a teplotní podmínky provozu. 2
1
5
3
4 8.4.
Řez jednochodým svazkovým výměníkem tepla 1 – přívod chladné tekutiny, 2 – přívod topné páry, 3 – odvod ohřáté tekutiny, 4 -odvod parního kondenzátu, 5 - trubkovnice
Svazkové výměníky tepla mají vždy neinkrustující médium zaváděno do mezitrubkového prostoru. Trubkami proudí médium u něhož nelze vznik inkrustů vyloučit. Důvodem tohoto uspořádání je snazší možnost mechanického čištění nebo výplachu přímých trubek. Svazkové výměníky tepla jsou nejběžnějším typem teplosměnných aparátů v průmyslu a tepelném hospodářství pro ohřev nebo chlazení různých tekutin nebo kondenzaci par. Relativní jednoduchost konstrukce, hromadná výroba, spolehlivý provoz a snadná údržba jsou zárukou příznivých pořizovacích a provozních nákladů. Konstrukce svazkových výměníků tepla při větší délce trubek nebo velkých rozdílech teplot médií musí brát v úvahu teplotní dilatace trubkovnice a pláště výměníku. Pak jsou výměníky opatřeny kompenzátory nebo jsou konstruovány jako vícechodé s U-trubkami a tzv. plovoucí hlavou. Pro zvýšení intenzity proudění bývají v mezitrubkovém prostoru instalovány přepážky. e)
Deskové výměníky tepla
Deskové výměníky tepla náleží ke konstrukčně nejmladším typům výměníků. Základem konstrukce je soustava paralelně řazených prostor vzájemně oddělených kovovou deskou, přičemž se pravidelně střídají prostory s mediem topným a ohřívaným, resp. chladícím a ochlazovaným. Desky jsou od sebe vzájemně odděleny pružným těsněním (technická pryž, chlórkaučuk, nitrilkaučuk, fluórkaučuk - viton, teflon). Jsou k sobě stlačeny přítlačnými deskami, které jsou vzájemně staženy šrouby. Tím jsou vytvořeny mezi deskami úzké prostory, v nichž proudí příslušná média (viz. obr. 8.6.). Tzv. kalolisová konstrukce deskových výměníků tepla umožňuje přídavkem nebo ubráním určitého počtu desek snadno měnit teplosměnnou plochu a tím výkon výměníku, resp. snadno opravit netěsnosti výměnou poškozených desek. Desky jsou vyrobeny ze slabého
186
profilovaného plechu z nerezavějící oceli. Desky proto mají nízký tepelný odpor a tím je zaručen mimořádně vysoký koeficient prostupu tepla. Jsou schopny s vysokou účinností pracovat i při nízkém teplotním gradientu. Toho je hojně využíváno při zhodnocení tzv. nízkopotenciálních zdrojů tepla, resp. využívání tepla odpadního dříve jinak nevyužitelného. Prolisy na deskách brání deformacím účinkem tlaku a teplotních dilatací. Přesto rozdíl tlaku mezi prostory s médiem ohřívajícím a ohřívaným nesmí být velký, aby se desky nedeformovaly či nepopraskaly. Samostatným problémem je kvalitní utěsnění prostorů deskových výměníků. 2 1
6
5
6
3 4
Obr. č. 8.5
Schéma deskového výměníku tepla 1 – přívod horké tekutiny, 2 – přívod chladné ohřívané kapaliny, 3 – odvod ochlazeného topného média, 4 -odvod ohřáté kapaliny, 5 – desky výměníku, 6 – přítlačné desky
Časté je použití deskových výměníků pro temperaci průmyslových kapalin oteplenou vodou, ve výměníkových stanicích pro přípravu teplé užitkové vody, horké vody pro vytápění nebo pro využívání geotermální energie.
187
Odpařování
8.6.
Odpařováním je rozuměn proces, kdy je z kapalné směsi (roztoku, emulze, suspenze) odstraňováno těkavé rozpouštědlo. Je tak zvyšována koncentrace netěkavých složek v kapalné fázi. Ve vybraných případech je také odpařováním umožněna krystalizace rozpuštěných složek (odpařovací krystalizace). Rychlost odpařování je závislá na rychlosti sdílení tepla mezi topným médiem a odpařovanou kapalnou směsí. Proto je odpařování řazeno k tepelným procesům. Cílem odpařování je: -
-
zkoncentrování žádané složky v roztoku nebo suspenzi před dalším zpracováním nebo jejím získání z kapalné fáze (např. při výrobě koncentrátů ovocných šťáv, výrobě surového cukru, výrobě tuhých průmyslových hnojiv typu N, NP a NPK), konzervace s prodloužením trvanlivosti potravin snížením obsahu vody (např. výroba kondenzovaného mléka), snížení obsahu rozpouštědla pro snížení přepravních a skladovacích nákladů (např. výroba alkalických hydroxidů), regenerace rozpouštědel (např. extrakčních benzínů při výrobě jedlých olejů), zvýšení kvality produktu.
Odpařování je realizováno: volným odpařováním rozpouštědla z hladiny kapalné směsi (roztoku, suspenze, emulze) za teploty pod jejím bodem varu při atmosférickém tlaku, rozprašováním kapalné směsi do proudu horkých plynů, odparem rozpouštědla do proudu horkých plynů rozptylovaných do kapalné směsi (např. ponorným hořákem), za teploty bodu varu kapalné směsi při atmosférickém nebo sníženém tlaku. Tento způsob odpařování je v průmyslové praxi velmi častý.
• • • •
a)
Konstrukce odparek
Odpařovací zařízení – odparka – je zpravidla ocelovou válcovou nádobou s topnou soustavou a odlučovačem kapek. Topnou soustavu tvoří jednochodý svazkový trubkový výměník tepla s přímými trubkami (běžná je tzv. košová topná soustava). Součástí odpařovací stanice je předehřívací výměník a odlučovače kapek odpařované směsi, kondenzátor brýdových par s vývěvou, přívody topné páry a odvaděče parního kondenzátu. Provoz odparek je řízen systémem měření a regulace nebo automatickým systémem řízení pomocí řídícího počítače. Konstrukce odparek je podřízena teplotě varu, hustotě a viskozitě odpařované směsi, zda je odpařovaná směs roztokem, emulzí nebo suspenzí, dále teplotní stabilitě látek, jejich korozívním účinkům, množství a charakteru tuhých látek ve směsi, tvorbě inkrustů, možnostem využití tepla brýdových par apod.
188
6 5 2
1
3
7
4
8 9 2
10
Obr. 8.6. Schéma jednočlenné odparky 1 – přívod směsi do předehřívače odpařovaného roztoku, 2 – přívod topné páry a odvod kondenzátu, 3 – těleso odparky, 4 – odlučovač kapek, 5 – odvod brýdové páry do kondenzátoru, 6 – odvod nekondenzujících plynů vývěvou, 7 – přívod vody do kondenzátoru, 8 – košová topná soustava (trubkový výměník tepla), 9 – odvod kondenzátu brýdové páry a oteplené vody, 10 – výstup odpařené směsi sifonovým uzávěrem Odpařovaná směs předehřátá k bodu varu je přiváděna do horní poloviny odparky. Odpařená směs je odváděna spodem. Konstantní hladinu odpařované směsi v odparce a topné soustavě udržuje sifonový uzávěr na výstupu směsi z odparky. Varné trubky topné soustavy jsou ponořeny v odpařované směsi min. z 1/3. V případě odpařování silně inkrustujících směsí je topná soustava zcela ponořena na úkor zvýšení bodu varu směsi vzrůstem hydrostatického tlaku ve varných trubkách. Páry odpařeného rozpouštědla, tzv. brýdová pára, je odváděna víkem přes odlučovač kapek do kondenzátoru par. Kondenzátorem může být trubkový výměník tepla chlazený vodou nebo sprchový kondenzátor, v němž se chladící voda nastřikuje přímo do brýdových par. Kondenzací je snížen objem par a zároveň je zajištěno odsávání par z prostoru odparky. Kondenzací v trubkových kondenzátorech lze získat velmi čisté rozpouštědlo opět technologicky využitelné nebo destilovaná voda, je-li odpařována ze směsi jen voda. Nekondenzující plyny původně absorbované v odpařované směsi a vzduch pronikající do odparky netěsnostmi je odsáván z hlavy kondenzátoru vývěvou. Kondenzát brýdové páry je odváděn do kanalizace chemicky znečištěných vod, vyžaduje-li čistění, nebo do kanalizace oteplených vod, neobsahuje-li znečišťující látky. Dle viskozity a hustoty odpařované směsi je cirkulace v odparce: - přirozená - vyvolaná rozdílem vyššího hydrostatického tlaku sloupce odpařované směsi vně topné soustavy a menšího hydrostatického tlaku odpařované směsi s parními bublinami uvnitř topné soustavy, - nucená s cirkulačním odstředivým nebo axiálním čerpadlem, které zajišťuje rovnoměrný průtok odpařované směsi topnou soustavou. Tím je zaručen vysoký koeficient prostupu tepla a minimální inkrustace topné soustavy,
189
-
U-odparky s vrtulovými míchadly zajišťujícími nucenou cirkulaci odpařované směsi a duplikátorovým pláštěm, bez cirkulace s jedním průchodem směsi topnou soustavou pro odpařování směsí s teplotně labilními látkami (typ Kestner).
Z hlediska pracovního tlaku jsou rozlišovány odparky: - atmosférické - tlak v odparkách je prakticky roven tlaku atmosférickému, - vakuové – tlak v odparkách je snížen pro dosažení nižších teplot bodu varu odpařovaných směsí. Podtlak v odparkách je zajištěn vývěvami. Prostor vakuových odparek je vůči okolí uzavřen sifonovými uzávěry se sloupci kapaliny - ze strany vstupu odpařovanou směsí, ze strany výstupu odpařenou směsí a ze strany výstupu brýdové páry barometrickým kondenzátorem spojeným s vývěvou. Vakuové odparky jsou používány v případech odpařování směsí s vysokým bodem varu, směsí teplotně nestabilních (rozkládajících se např. za bodu varu při atmosférickém tlaku) a při vícestupňovém uspořádání odpařovacích stanic. Dle směru pohybu odpařované směsi a brýdových par nebo síly odpařované směsi na stěnách topné soustavy a dalších hledisek jsou rozlišovány odparky: -
filmové odparky se vzlínajícím (šplhajícím) filmem, filmové odparky s padajícím filmem, filmové odparky s mechanicky stíranými plochami (typ Luwa) pro odpařování viskózních a silně inkrustujících směsí v krystalizačních odparkách, odparky s vestavěnou topnou soustavou ponořenou: - částečně (Kestner-Kellner), - úplně (typ Robert), odparky s vysunutou topnou soustavou, odparky se šikmou topnou soustavou. b) Odpařovací stanice
Často jsou pro dosažení vyššího výkonu řazeny odparky v sérii zpravidla 2 - 4 aparátů, výjimečně je užíváno více odpařovacích aparátů 30. Je používáno sériové zapojení odparek se souproudým nebo protiproudým tokem odpařované směsi a brýdové páry, případně paralelní zapojení několika odparek. U vícestupňových odpařovacích stanic se sériovým řazením odparek je brýdová pára pečlivě zbavována kapek odpařované směsi. Brýdová pára z nižšího odpařovacího stupně je využívána k vytápění následujícího stupně odpařovací stanice. Tímto způsobem lze významně snížit spotřebu topné páry – teoreticky na 1/2 u dvoustupňového uspořádání, na 1/3 u třístupňového uspořádání atd. Skutečná úspora je vždy nižší v důsledku tepelných ztrát do okolí - pláštěm odparek a z propojovacích potrubí, kondenzátem z topné páry, horkým odpařeným roztokem, kondenzátem brýdové páry. Pro zvýšení tepelné účinnosti jsou rovněž používány odparky s termokompresí – tepelná kapacita a tlak brýdových par je zvyšován parním injektorem nebo mechanicky odstředivým kompresorem.
V České republice byla provozována devítistupňová krystalizačně-odpařovací stanice v úpravně uranových rud. 30
190
7 5
8
6
1
2
3 4 9
9
10 Obr. č. 8.7.
Schéma dvojčlenné souproudé vakuové odpařovací stanice 1 – první stupeň odpařování, 2 – druhý stupeň odpařování, 3 – přívod předehřátého roztoku, 4 - přívod topné páry, 5 – odvod brýdové páry z 1. Stupně odpařování jako topné páry do 2. Stupně odpařování, 6 – odvod brýdové páry z 2. stupně do kondenzátoru, 7 – přívod vody do kondenzátoru, 8 – odvod nekondenzujících plynů vývěvou, 9 – odvod kondenzátů, 10 – výstup odpařené směsi do sifonového uzávěru, 11 – odvod vody z kondenzátoru
Kontrolní otázky:
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Co je rozuměno a co je základní podmínkou existence sdílení tepla? Vyjmenujte základní mechanismy sdílení tepla! Napište základní matematické vztahy definující sdílení tepla! Co je to prostup tepla? Vyjmenujte alespoň tři typy výměníků tepla! Za jakých podmínek vznikne proudění přirozené, čím je vyvoláno, které vlastnosti tekutin ovlivňují nejvíce intenzitu přirozeného proudění? Proč je voda používána s výhodou jako teplosměnné médium? Co je cílem odpařování, jak může být realizováno? Popište funkci odparky, její základní části a uspořádání vícestupňové odpařovací stanice! Proč je odpařování s výhodou realizováno za sníženého tlaku a kdy je toho využíváno?
191
9.0.
Přestup hmoty – difusní procesy
Technologická praxe vedle odloučení tuhých nebo kapalných částic, což bylo diskutováno v předcházejících kapitolách, také odlučování plynů nebo par znečišťujících látek. K tomu účelu jsou obvykle užívány následující fyzikálně-chemické difusní procesy: • Absorpce, • Adsorpce, • Destilace a rektifikace, • Extrakce, • Sušení, • Krystalizace Volba nejvhodnější metody je závislá na několika základních charakteristikách konkrétního technologického systému a konkrétní směsi plynů: • teplotě plynů a par, • celkovém tlaku, • chemickém složení směsi plynů, • koncentraci a parciálním tlaku složek, • teplotě bodu varu složek, • chemických vlastnostech jednotlivých složek a směsi.
9.1.
Absorpce
Absorpce náleží do skupiny difusních procesů. Přestup hmoty (sdílení či výměnu hmoty) mezi plynnou a kapalnou fází řídí difuse. Reversním procesem k absorpci je desorpce. V chemicko-inženýrské literatuře bývá z pohledu kinetického označována za hnací sílu procesu existence koncentračního spádu v obou fázích (koncentračního gradientu). Z termodynamického hlediska hnací silou procesu v systému, který není v rovnováze, je rozdíl chemických potenciálů složek mezi fázemi.
9.1.1. Termodynamika absorpce Obecným kritériem rovnováhy systému je Gibbsova funkce (ve starší literatuře je označována jako volná entalpie, Gibbsův termodynamický potenciál), která je funkcí absolutní teploty T, tlaku P a složení systému: G = f ( T, P, ni )
kde i = 1, 2, 3, …k složek
G = H - T.S ∂G
(9.2) ∂G
h
∂G
dG = ( --------- )P,n d T + ( -------- )T,n d P + Σ ( ------- )T,P dnj ∂T
(9.1)
∂P
j
(9.3)
∂ nj
pro h ≠ j . 192
Pro systém v rovnováze platí: dT = 0 dP = 0 dG = 0 d G = d Gg + d Gl + d Gs
(9.4) ,
(9.5)
kde indexy (g), (l) a (s) značí plynnou, kapalnou a tuhou fázi. Výraz µ j je nazýván chemickým potenciálem (parciální molární volná entalpie): µj
∂G = ( -------- ) T,P, d nj ∂ nj
(9.6)
Spojením vztahů (9.1 - 9.6) pak pro systém v rovnováze platí: d G = ( µ1 dn1 + µ2 dn2 + µ3 dn3 + …. + µk dnk )g + + ( µ1 dn1 + µ2 dn2 + µ3 dn3 + …. + µk dnk )l + + ( µ1 dn1 + µ2 dn2 + µ3 dn3 + …. + µk dnk )s = 0 (9.7)
Pro uzavřený systém bez chemické reakce potom platí: ( d n1)g + ( d n1)l + ( d n1)S = 0 ( d n2)g + ( d n2)l + ( d n2)S = 0 ……………………………………… ( d nK)g + ( d nK)l + ( d nK)S = 0
(9.8)
Z výrazů (9.7) a (9.8.) potom pro chemické potenciály všech složek ve všech fázích platí: (µ1)g = (µ1)l = (µ1)S (µ2)g = (µ2)l = (µ2)S ………………………… (µK)g = (µK)l = (µK)S
(9.9)
Pro systém v rovnováze jsou si chemické potenciály složky ve všech fázích rovny, pro systém mimo rovnováhu rovnosti neplatí. Pro systém několika složek v plynné a kapalné fázi, v němž probíhá nevratný proces směřující k rovnováze, např. absorpce, platí: dG < 0
(9.10)
Není-li systém v rovnováze, chemické potenciály libovolné složky v plynné, kapalné a tuhé fázi si nejsou rovny, jsou hnací silou příslušného procesu.
193
Rovnováha při absorpci je definována Henryho zákonem (rovnice 9.11) s využitím Daltonova zákona (9.13): pi = κi χi xi (9.11) pi = Hi xi
(9.12)
pi = P yi
(9.13)
P yi = Hi xi
(9.14)
Hi yi = ------- xi P
,
(9.15)
kde pi je parciální tlak složky i, P je celkový tlak v systému, κi je rozdělovací koeficient, χi je aktivitní součinitel, xi je molární koncentrace složky v kapalné fázi, yi je molární koncentrace složky v plynné fázi, Hi je Henryův koeficient. Henryův koeficient je obecně funkcí teploty a tlaku: Hi = f ( T , P ) (9.16) ( µ i )L - ( µi )G - ---------------------Hi = e RT
(9.17)
Rovnice (9.17) platí pro tlaky blízké nule. Přestupem hmoty při absorpci je rozuměno pohlcování - rozpouštění plynu v kapalině. Rozpustnost plynů v kapalinách se vzájemně liší dle chemického složení soustavy plyn kapalina, teploty a tlaku v systému. Z dříve uvedených vztahů vyplývá, že absorpce nejlépe probíhá za zvýšeného tlaku a snížené teploty. 9.1.2. Kinetika absorpce Z hlediska mechanismu je rozlišován přestup hmoty: -
molekulární difusí, prouděním – konvekcí a difusí (turbulentní difusí, konvektivní difusí)
V reálných systémech se uplatňují oba mechanismy současně. Z hlediska časového průběhu je rozlišováno sdílení hmoty: - ustálené (stacionární, nezávislé na čase), - neustálené (nestacionární, proměnné v čase). Kinetika molekulové difuse pro systém bez chemické reakce je definována 1. Fickovým zákonem: d2ni = - c Di ∇xi dA dτ , (9.18)
194
kde ni je počet molů složky i přenesené difusí v ploše dA za čas dτ , při difusním koeficientu (koeficientu difuse) složky i Di , koncentračním gradientu definovaném ∇xi a molové hustotě c: ρstř c = ------, (9.19) Mstř kde ρstř je střední hustota ( kg.m-3 ) příslušné fáze a Mstř je její střední molekulová hmotnost (kg.mol-1 ). Pro difusní procesy je definována hustota difusního toku Ji: d2ni Ji = ( ----------- ) = - c Di ∇xi dA dτ E - ------Di = k . e RT
(9.20)
(9.21)
Koeficient difuse Di je funkcí teploty – rovnice teplotní závislosti (96) je analogická Arheniově rovnici. 2. Fickovým zákonem je definována molekulová difuse v systému s chemickou reakcí: ∂ xi - ∇ Ji + Ri = -------∂τ
,
(9.22)
Spojení rovnic (9.20 - 9.22) jsou odvozeny upravené vztahy: ∂ xi -∇( c Di ∇xi ) + Ri = -------∂τ
,
(9.23)
∂ xi + Ri = -------∂τ
,
(9.24)
- c Di ∇ xi 2
Výraz -∇ Ji v rovnici (9.22) vyjadřující 2. Fickův zákon v sobě zahrnuje vliv molekulové difuse, člen Ri vliv probíhající chemické reakce a výraz na pravé straně rovnice vliv neustálenosti procesu sdílení hmoty v čase. Pro systém v ustáleném stavu je tento člen roven nule. Ri je rychlost chemické reakce - počet molů niR látky i , která zreagovala za časovou jednotku v jednotce objemu: d2niR Ri = ----------- = - krI xi , (9.25) dV dτ kde krI je rychlostní konstanta pro reakci prvního řádu. Pro reakce vyšších řádů by byl užit jiný výraz na pravé straně rovnice (9.25).
195
Řešením diferenciálních rovnic (9.18 - 9.24) lze matematicky popsat kinetiku procesů přestupu hmoty řízené molekulovou difusí včetně absorpce. Přestup hmoty konvekcí (prouděním) vychází z materiálové bilance složky i v proudící směsi. Východiskem matematického popisu je obecná rovnice formulující zákon zachování hmotnosti: vstup
+
chemická reakce
=
výstup
+
akumulace
Lze odvodit vztah popisující přestup hmoty prouděním ve tvaru: ∂ xi - ∇ xi v + Ri = -------∂τ
,
(9.26)
kde v je rychlost proudění prostředí. Jelikož v reálných systémech probíhá přestup hmoty současně prouděním a konvekcí, lze výrazy (9.22) a (9.26) spojit do diferenciální rovnice (9.27) obecně popisující přestup hmoty molekulovou difusí a konvekcí: ∂ xi - ∇ ( xi v + Ji ) + Ri = -------, (9.27) ∂τ Ni = ( xi v + Ji )
,
(9.28)
kde výraz pro Ni odpovídá celkové hustotě toku složky i molekulovou difusí a konvekcí vůči nehybnému souřadnicovému systému. Pro případ jednosměrné difuse ve směru osy z souřadnicového systému lze rovnici (9.27) upravit do tvaru: ∂ xi Ji = - c Di ------- = kC ( xoi - xi ) , ∂z
(9.29)
kde kC je koeficient přestupu hmoty, xoi je rovnovážná koncentrace složky i a xi je skutečná koncentrace této složky. Koeficient přestupu hmoty pro reálné systémy je stanovován experimentálně. Z rovnice (94) lze po úpravě odvodit kriteria – bezrozměrné vztahy – popisující současný přestup hmoty molekulovou difusí a konvekcí:
Sherwoodovo kriterium:
kC . l Sh = --------D
(9.30)
196
Reynoldsovo kriterium:
v.ρ.l Re = -----------η
(9.31)
η Sc = ----------
Schmidtovo kriterium: (9.32)
ρ.D
Fourierovo kriterium:
Pecletovo kriterium:
FoD
D.τ = --------l2
(9.33)
PeD
v.l = -------D
(9.34)
kRI Φ = ( --------- l )1/2 , D
(9.35)
kde v je rychlost proudění, D difusní koeficient, l charakteristický rozměr systému, ρ hustota, η dynamická viskozita, kRI rychlostní konstanta, kC koeficient přestupu hmoty, τ čas. Kriteria (9.31) a (9.34) v sobě zahrnují vliv konvekce, kriterium (9.33) neustálenost procesu a kriterium (9.35) chemickou reakci probíhající při difusním ději. Pro konkrétní případy přestupu hmoty z plynu do kapaliny a naopak při nuceném prodění plynů, tj. případech zahrnujících difusi a konvekci zároveň, jsou potom odvozovány kriteriální rovnice typu: Sh = B Rea Scb Foc Φd
,
(9.36)
kde B, a, b, c, d jsou experimentálně stanovované konstanty. Např. pro přestup hmoty – ustálenou isotermní absorpci plynu bez chemické reakce pro Re v rozmezí 2000 – 35000 probíhající uvnitř trubky, po jejíž vnitřní stěně stéká kapalina, platí rovnice: Sh = 0,023 Re0,83 Sc0,44
(9.37)
Součinitel prostupu hmoty – udává hustotu hmotnostního toku za časovou jednotku při jednotkovém koncentračním spádu. Je definován za předpokladu: - kontaktu plynné a kapalné fáze ve velmi tenké oblasti fázového rozhraní, - na fázovém rozhraní nedochází k akumulaci žádné složky, - mezi koncentracemi složky i (cio)L a (cio)G v obou fázích na fázovém rozhraní je rovnováha. Pak pro obecný rovnovážný součinitel ϕ pak platí:
197
ϕ = f ( T, P, cL , cG ) (cio )L = ϕ ( cio)G
(9.38) (9.39)
- látkové množství složky i , které přestoupí z objemu jedné fáze (G – plynné) na fázové rozhraní, je potom rovné látkovému množství látky i, které jím projde a přestoupí do druhé fáze (L – kapalné), kdy kC jsou koeficienty přestupu hmoty platné pro jednu a druhou fázi: ( d2ni )G = ( d2ni )L
(9.40)
( kC )G ( ci - cio )G dA dτ = ( kC )L ( ci - cio )L dA dτ
(9.41)
Z rovnic (9.38 - 9.41) lze úpravou odvodit koeficient prostupu hmoty KC:
KC =
1 ------------------------1 ϕ --------- + ------(kC)G (kC)
(9.42)
Z rovnic (9.39 a 9.41) lze integrací vypočítat plochu výměny hmoty A nebo výšku prostoru výměny hmoty h při objemovém průtoku plynu O: O (ci1)G d ( ci )G A = ----------- ∫ ------------------(kC)G (ci2)G ( ci - cio)G
(9.43)
A = a . V
(9.44)
V A h = --------- = --------S a . S
(9.45)
O (ci1)G d ( ci )G h = --------------- ∫ ---------------- , S . a . (kC)G (ci2)G ( ci - cio)G
(9.46)
kde a je specifický mezifázový povrch, V je celkový objem výměníku hmoty (absorbéru), S je průřez výměníku hmoty, h je výška výměníku hmoty, index 1 značí vstupní koncentraci a index 2 výstupní koncentraci absorbované složky i. V odborné literatuře a praxi je rovněž zaveden pojem výšky převodové jednotky (V.P.J.) a počtu převodových jednotek (P.P.J.), kde platí: h = (V.P.J.) . (P.P.J.)
(9.47)
přičemž výška převodové jednotky je taková část výšky výměníku hmoty (absorbéru), kde je nastalá koncentrační změna rovna střední hnací síle (střední změně koncentrace).
198
Poznámka:
Jednotlivé vztahy pro přestup a prostup hmoty jsou analogické vztahům pro přestup a prostup tepla kondukcí a konvekcí.
9.1.3. Konstrukce a technologické uspořádání absorpce (desorpce) Technologické uspořádání výměníků hmoty - absorbérů, kde probíhá přestup hmoty mezi plynou a kapalnou fází, je kombinací následujících případů: -
souproudý nebo protiproudý tok plynu a kapaliny s výměnou jedné nebo několika složek bez chemické reakce nebo s chemickou reakcí za současné výměny tepla s okolím isotermicky nebo bez výměny tepla neizotermicky za atmosférického tlaku, zvýšeného nebo sníženého tlaku se spojitým stykem fází nebo nespojitým stykem fází v aparátech s výplní (vestavbou) nebo bez výplně za nuceného proudění laminárního nebo turbulentního za volného proudění při: - stékání kapaliny po náplni účinkem gravitace - přirozeném proudění plynu - probublávání plynu kapalinou - volném pádu kapek v koloně bez výplně
Přestupem hmoty při absorpci je rozuměno pohlcování - rozpouštění plynu v kapalině. Rozpustnost plynů v kapalinách se vzájemně liší dle chemického složení soustavy plyn kapalina, teploty a tlaku v systému. Z dříve uvedených vztahů vyplývá, že absorpce nejlépe probíhá za zvýšeného tlaku a snížené teploty. Absorbovaná složka – plyn rozpuštěný v kapalné fázi - může s některou ze složek kapalné fáze chemicky reagovat. Pak se jedná o případ absorpce s chemickou reakcí. Chemickou reakcí se rychlost absorpce zvýší – důvodem je odstraňování rozpuštěné složky z kapalné fáze její chemickou přeměnou. Tím se hnací síla procesu udržuje na vyšší úrovni, roste účinnost procesu absorpce. Absorpční aparáty bývají zároveň používány pro chlazení technologických a odpadních plynů spojené s kondenzací par, v první řadě vodních par. To bývá také spojeno se zachycením kapek nebo tuhých částic unikajících z předchozích technologických operací – z reaktorů pro rozklad minerálních surovin, neutralizačních a odpařovacích reaktorů. Použití absorpce: - v technologických procesech, kde je absorpce jedním z výrobních článků. Příkladem mohou být výroby minerálních kyselin (kyseliny sírové, kyseliny dusičné, kyseliny fosforečné, kyseliny chlorovodíkové), výroba sody technologií Solvayovou aj. Rovněž petrochemické výroby a organické syntézy využívají absorpci pro dělení a čištění uhlovodíků a jejich derivátů. - pro absorpční čištění směsí plynů od znečišťujících složek. Příkladem může být odstraňování sulfanu, oxidu siřičitého, oxidu uhličitého, oxidu uhelnatého, čpavku, oxidů 199
dusíku, fluorovodíku aj. látek z proudu technologických plynů nebo z odpadních plynů na výstupu z výrobních procesů, spalovacích a dalších zařízení. Pro absorpci jsou používány: - kolony bez výplně - zpravidla pro absorpční čištění plynů znečištěných tuhými částicemi nebo při užití skrápěcích kapalin s obsahem nerozpustných látek (buď již původně přítomných v kapalině nebo i vznikajících chemickou reakcí). - kolony s výplní – pro čištění plynů bez mechanických nečistot a při užití čistých neinkrustujících kapalin. Výhodou výplňových kolon je vyšší mezifázový povrch v jednotce absorpčního prostoru a proto vysoký prostup hmoty. Užívána je pevná výplň (Raschigovy kroužky, Berlova sedélka, spirály, kloboučková nebo roštová patra aj.), pohyblivá výplň s dutými koulemi (TCA – turbulent contact absorber) nebo rošty či síta umožňující vytvoření pěnového režimu. V absorpčních kolonách je používán protiproudý tok kapaliny a plynu – plyn vstupuje do kolony spodem a je odváděn přes např. žaluziový odlučovač kapek z horní části kolony (viz. obr. 10). Výhodou protiproudého uspořádání je styk vstupující čerstvé skrápěcí kapaliny s absorpcí předčištěným plynem, kde je již koncentrace absorbované složky snížena. To umožňuje dosažení vyšší účinnosti absorpce. Pod odlučovačem kapek je v absorpční koloně instalován jeden nebo více rozstřikovačů absorpční kapaliny různých konstrukcí od sprchových růžic, přes hydraulické rozprašovače, trysky vytvářející vějíř, plný nebo dutý kužel, až po pneumatické trysky. Rozstřikovací zařízení musí zajistit rovnoměrné skrápění celého prostoru absorpční kolony, celého jejího průřezu. Absorpční kolony s výplní nebo bez výplně jsou zpravidla válcové nádoby o průměru několika metrů s výškou až několika desítek metrů. Jsou vyrobeny z nerezavějící oceli nebo termoplastů (polypropylenu nebo polyvinylchloridu). Výjimkou ale nejsou ani absorbéry s ocelovým pláštěm vyloženým technickou pryží, olověnými pláty, grafodurem, grafitem, kyselinovzdornou keramikou nebo aparáty vyrobené ze skla. Součástí absorpčních kolon jsou předlohové nádrže, které mohou být součástí kolony, jak je patrné z obrázku č. 10, nebo to jsou samostatné nádrže. Skrápěcí kapalina je dopravována v cirkulačním okruhu odstředivými čerpadly. Zpravidla je jedno čerpadlo v provozu a druhé v záloze. Pro minimalizaci teploty skrápěcí kapaliny a dosažení vysoké účinnosti absorpce bývají v cirkulačních okruzích zařazeny trubkové nebo deskové výměníky tepla chlazené vodou. Ve výrobnách kyseliny sírové a olea bývají používány pro chlazení absorpční kyseliny sprchové chladiče skrápěné vodou. Provoz absorpčního systému je běžně bezobslužný s vysokým stupněm automatizace. Vstupním signálem regulačních systémů je např. koncentrace absorbované složky na výstupu plynu z absorpční stanice nebo pH, vodivost, koncentrace či hustota skrápěcí kapaliny. Dle těchto parametrů je dávkována čerstvá skrápěcí kapalina do předlohové nádrže nebo cirkulačního okruhu. Vždy je měřen na několika místech absorpce tlak a teplota plynu i skrápěcí kapaliny. Měření a regulace teploty a tlaku v absorpčním systému je velmi důležité, neboť přímo ovlivňuje účinnost absorpce. Cílem je realizovat absorpci pokud možno za isotermních a isobarických podmínek.
200
1
2 8 3
9
7
4 6 5 Obr. č. 9.1.
Pěnová absorpční kolona s recirkulací skrápěcí kapaliny 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, 9 – čtyři pěnová patra (rošty nebo perforované plechy)
Rychlost průtoku plynu absorpčními kolonami s výplní nebo bez výplně je ve volném průřezu kolem 2 m.s-1, aby byl potlačen úlet kapek. Jejich tlaková ztráta bývá 500 – 1000 N.m-2, pokud pracují za atmosférického tlaku. Pak průtok plynu zajišťují středotlaké radiální ventilátory. Při vyšších tlakových ztrátách jsou používány vysokotlaké vícestupňové ventilátory nebo dmychadla. Tlakové absorbéry mohou mít tlakovou ztrátu i několikrát větší závisle na výkonu kompresorů. Konstruovány jsou pro objemový průtok plynu v desítkách i stovkách tisíc Nm3.hod.-1. Používány jsou běžně v chemickém, farmaceutickém a potravinářském průmyslu jako součást technologických výrobních linek nebo zařízení pro čištění odpadních plynů v uvedených průmyslových odvětvích nebo spalovnách odpadů a energetických výrobnách především pro odsiřování spalin.
201
- proudové odlučovače – pračky konstrukce Imara Venturi. Venturiho pračky jsou konstrukčně jednodušší, než dříve uvedené absorpční kolony. Vlastní proudový odlučovač je v principu tvořen dvěma kónicky se zužujícími trubkami proti sobě (viz obr. č. 9.2). Jsou dle teploty procházejících plynů vyrobeny z nerezavějících ocelí nebo termoplastů. V nejužším místě je tryskami do odlučovače nastřikována absorpční kapalina. Proudové odlučovače jsou schopny zároveň pracovat jako absorbéry, ale i jako mokré odlučovače prachu a kondenzátory par. Z tohoto důvodu často bývají proudové odlučovače předřazeny dalším absorpčním stupňům – absorpčním kolonám s výplní, které brání před teplotním zatížením a zanášením výplně nerozpustnými látkami. 1
2
2
7
6 3
4
5
Obr. č. 9.2.
Venturiho pračka 1 – vstup znečištěného plynu, 2 – trysky pro nástřik vypírací kapaliny, 3 – výstup čištěného plynu, 4 – odlučovač kapek a předlohová nádrž, 5 – cirkulační čerpadlo, 6 – odvod absorpční kapaliny, 7 – přívod nové absorpční kapaliny
202
Uspořádání cirkulačního okruhu, systém měření, regulace a automatického řízení je u Venturiho praček shodný s absorpčními kolonami bez výplně nebo s výplní, jak bylo uvedeno dříve. Tlaková ztráta proudových odlučovačů konstrukce Imatra Venturi (viz. obr. č. 7) 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. 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). S výhodou je Venturiho praček souběžně využíváno pro odlučování prachu, chlazení odpadních plynů a kondenzaci par. S úspěchem bývají odlučovače této konstrukce používány také pro zachycení aerosolů. Přitom je využíváno částic aerosolů jako kondenzačních jader vodních par. Větší kapky s látkou původně tvořící aerosol jsou potom snadno zachyceny v odlučovači kapek za proudovým odlučovačem. Toto uspořádání užíváno ve výrobnách průmyslových hnojiv na bázi dusičnanu amonného (ledků) nebo kombinovaných hnojiv typu NPK, kde během neutralizace volné kyseliny dusičné vzniká aerosol dusičnanu amonného.
- rozprašovací absorbéry V rozprašovacích absorbérech je absorpční roztok nebo suspenze mechanicky rozstřikována ve formě jemných kapiček do prostoru absorpční komory. Rozstřik kapaliny na kapičky s průměrem pod 0,01 mm zajišťují atomizéry – odstředivky s cca 10.000 ot.min.-1, do nichž natéká absorpční kapalina a zároveň je k nim zaváděn stlačený vzduch. Tím je zajištěn vysoký mezifázový povrch pro výměnu hmoty mezi plynem a kapalinou. Absorpční komora rozprašovacího absorbéru je válcová nádoba z ocelového plechu s rovným víkem o výšce až několika desítek metrů, průměrem cca 10 m a kónickým dnem, odkud vytéká absorpční kapalina. Vstup plynu je dole ze strany a výstup plynu je nahoře z protilehlé strany. Tlaková ztráta dosahuje hodnot kolem 500 N.m-2, rychlost plynu ve volném prostoru je pod 1,5 m.s-1. Rozprašovací absorbéry jsou konstruovány pro objemový průtok plynu od cca 1000 až do několika set tisíc Nm3.hod.-1 pro případy odsiřování spalin z tepláren nebo elektráren. V případě tzv. mokro-suché metody odsiřování spalin je voda z nastřikované suspenze vápenného mléka zcela odpařena do proudu plynu – odprášených horkých spalin. Vznikající energosádrovec je se zbytkem nezreagovaného vápenného hydrátu odváděn s proudem plynů do textilních odlučovačů prachu. Hrubší podíly energosádrovce sedimentují a jsou odváděny výsypkou ve dnu absorpční komory. Poznámka:
Aparát shodné konstrukce je používán také jako rozprašovací sušárna
203
1
3 4
2
5 Obr. č. 9.3.
Rozprašovací absorbér 1 – vstup absorpční kapaliny do atomizéru, 2 – přívod čištěného plynu, 3 – přívod stlačeného vzduchu, 4 – výstup čištěného plynu, 5 – výstup absorpční kapaliny
- další typy absorbérů:
- probublávací absorbéry - kaskádové absorbéry - povrchové absorbéry - trubkové absorbéry - mechanické absorbéry a skrubry
Uvedené typy absorbérů jsou v praxi méně časté a mají význam spíše pro výrobní technologie než pro čištění odpadních plynů. Jejich tlaková ztráta bývá do 1000 N.m-2, rychlosti průtoku plynu ve volném průřezu jsou obvykle pod 1,5 m.s-1, aby byl minimalizován úlet kapek absorpční kapaliny. Bývají konstruovány pro menší objemové průtoky plynu kolem 10.000 Nm3.hod.-1 pro potřeby malotonážních výroben nebo poloprovozů, ale nejsou výjimkou ani zařízení s výkonem 50.000 Nm3.hod.-1.
204
9.1.4. Absorpce s chemickou reakcí (příklady) Jak bylo uvedeno v úvodní teoretické partii, náleží absorpce s chemickou reakcí k nejúčinnějším a z pohledu kinetiky také nejrychlejším metodám absorpčního dělení směsí plynů. Důvodem je, že absorbovaná složka je chemickou reakcí z roztoku nepřetržitě odstraňována a koncentrační spád, který je podmínkou difuse je trvale vysoký. Nelze opomenout ani velký výkon těchto zařízení dosahující objemových průtoků desítek až stovek tisíc Nm3.hod-1 čištěných plynů. Absorpce s chemickou reakcí často využívají vratných reakcí. Výhodou je možnost regenerace absorpčního roztoku a možnost zisku koncentrovaného čistého plynu desorpcí. Toho je běžně využíváno při výrobě technických plynů. Je-li chemická reakce velmi rychlá, probíhá v kapalné fázi při fázovém rozhraní nebo v určité vzdálenosti od fázového rozhraní, je-li pomalá. Účinnost absorpce v alkalických nebo kyselých absorpčních roztocích se blíží 100 %, pokud není koncentrace absorbované složky v čištěném plynu příliš nízká (1 – 2 g.m-3). Absorpce kysele reagujících sloučenin nebo čpavku ve vodě: CO2 + H2O → 2 H+ + CO32-
(1)
SO2 + H2O → H2SO3
(2)
SO3 + H2O → H2SO4
(3)
2 NO2 + H2O → HNO3
+ HNO2
(4)
3 HNO2 → HNO3 + 2 NO + H2O NO + 1/2 O2 → NO2 (oxidačně-absorpční proces při výrobě HNO3) Cl2 + H2O →
HClO + HCl
(5)
SiF4 + 2 HF → H2SiF6 (ve vodném roztoku)
(6)
3 SiF4 + 3 H2O → H2SiO3 + 2 H2SiF6
(7)
P2O5 + 3 H2O →
(8)
2 H3PO4
NH3 + H2O → NH4OH NH3 + CO2 + H2O → NH4HCO3
(9) (10)
Absorpce ve vodě je používána pouze v případech, kdy je cílem získat roztoky příslušných kyselin nebo čpavkovou vodu. Tlaková absorpce oxidu uhličitého ve vodě (1) s následnou desorpcí za atmosférického tlaku je používána pro přípravu čistého oxidu uhličitého. Reakce (10) je používána často jako jeden ze stupňů výrob čistých hydrogenuhličitanů a uhličitanů
205
Ba, Sr, Ca, je součástí výroby sody technologií Solvay. Dále uvedené absorpce v alkalicky reagujících roztocích jsou účinnější a proto v praxi mnohem častější. Absorpce kysele reagujících sloučenin v alkalicky reagujících roztocích nebo suspenzích: CO2 + NaOH → NaHCO3
(11)
2 CO2 + Ca(OH)2 → Ca(HCO3)2 CO2 + Na2CO3 + H2O → 2 NaHCO3
(12) (13)
Reakce (11-13) probíhají např. během alkalické absorpce při čištění spalin ze spaloven odpadů. Pro čištění spalin nemají význam, pouze zvyšují spotřebu absorpčního roztoku. Poslední z reakcí je vratná za teploty bodu varu roztoku. Je použitelná pro výrobu oxidu uhličitého. CO2 + K2CO3 + H2O → 2 KHCO3
(14)
CO2 + 2 (OH-CH2-CH2-NH2) + H2O → (OH-CH2-CH2-NH3)2CO3 (15) Reakce (14, 15) jsou vratné, jsou používány k čištění směsi plynů při výrobě vodíku a syntézní směsi pro výrobu čpavku. Zároveň jsou velmi důležité pro výrobu oxidu uhličitého. Bývá používán jak monoetanolaminu (MEA) tak i dietanolamin (DEA). Všechny výše uvedené reakce oxidu uhličitého jsou zpravidla realizovány v absorpčních kolonách s kroužkovou výplní. SO2 + NH4OH → NH4HSO3 (16) SO2 + NaOH → NaHSO3
(17)
SO2 + 2 NaOH → Na2SO3 + H2O
(18)
SO3 + NaOH → NaHSO4
(19)
2 SO2 + Na2CO3 → 2 NaHSO3 + 2 CO2
(20)
SO2 + Na2CO3 → Na2SO3 + CO2
(21)
Uvedené reakce (16-21) jsou využívány pro čištění odpadních plynů z absorpce výroben kyseliny sírové i pro výrobu příslušných sodných solí. Také probíhají při čištění spalin např. ve spalovnách odpadů. Jsou obvykle realizovány v absorpčních kolonách s kroužkovou výplní. Účinnost absorpce oxidu siřičitého dosahuje 92 - 98 %. Absorpční činidla jsou drahá a vznikající soli dobře rozpustné ve vodě. Na velkých energetických výrobnách (elektrárnách, teplárnách, výtopnách) se tato metoda absorpce uplatnila jako systém Wellmann-Lord. 2 SO2 + Ca(OH)2 → Ca (HSO3)2
(22)
SO2 + 1/2 O2 + Ca(OH)2 → CaSO4 + H2O
(23)
206
Reakce (22, 23) probíhají během odsiřování velmi rozšířenou metodou mokro-suché vápenné vypírky v rozprašovacích absorbérech. V absorpci je nutné zajistit přebytek kyslíku, aby přednostně proběhla druhá z uvedených reakcí vedoucí k energosádře, která je nerozpustná ve vodě. Účinnost absorpce oxidu siřičitého přesahuje 85 – 90 %. Metoda byla uplatněna na velkých energetických výrobnách (elektrárnách, teplárnách nebo výtopnách). Nevýhodou je použití dražšího páleného vápna, při jehož produkci je do atmosféry emitován oxid uhličitý, skleníkový plyn. Odpadající energosádra je smísením s popílky zpracovatelná na tzv. stabilizát použitelný ve stavebnictví, zejména pro zpevnění podloží dopravních staveb (silnic, železnic), ploch skládek, ale i pro výrobu dlaždic. Energosádra - materiál odpadající z rozprašovacího absorbéru nebo z ní vyrobený stabilizát nesmí zvlhnout. Po navlhčení musí být stabilizát zpracován max. do pěti hodin, neboť tvrdne vznikem dihydrátu síranu vápenatého. Dosažitelná pevnost materiálu je srovnatelná s betonem. 2 SO2 + CaCO3 + H2O → Ca (HSO3)2 + CO2
(24)
SO2 + 1/2 O2 + CaCO3 → CaSO4 + CO2
(25)
Reakce (24, 25) probíhají během odsiřování metodou mokré vápencové vypírky. Jedná se o vůbec nejrozšířenější metodu odsiřování spalin ve velkých kondenzačních elektrárnách ve světě i ČR. Odsiřování je realizováno ve sprchových absorbérech bez výplně. Nevýhodou procesu je uvolnění 1 molu oxidu uhličitého (skleníkového plynu) do čištěných spalin na každý 1 mol absorbovaného oxidu uhličitého. V absorpci je nutné zajistit přebytek vápence cca 25 % proti stechiometrii a přebytek kyslíku, aby přednostně proběhla druhá z uvedených reakcí vedoucí k energosádrovci krystalizujícímu se dvěma molekulami vody. Pak je dosažitelná účinnost absorpce oxidu siřičitého 90 – 93 %. Hydrogensiřičitan vápenatý je rozpustný ve vodě, energosádrovec je nerozpustný ve vodě. Je z menší části zpracovatelný ve stavebnictví např. na tvárnice nebo sádrokartonové desky. Přebytek produkce energosádrovce je skládkován. 2 NO2 + 2 NaOH → NaNO3
+ NaNO2 + H2O
2 NO2 + Na2CO3 → NaNO3 + NaNO2 + CO2
(26) (27)
Reakce (26, 27) byly dříve využívány pro alkalickou absorpci NOx z odpadních plynů výroben kyseliny dusičné. Závisle na teplotě a tlaku v absorpčním systému kolísá poměr NO : NO2. Proto vznikaly roztoky solí proměnné kvality s nebezpečnými vlastnostmi odparem získatelných solí (výbušnost). Tyto metody čištění odpadních plynů byly v průmyslové praxi opuštěny a nahrazeny bezpečnějšími a účinnějšími redukcemi (viz dále). Reakce byly realizovány v absorpčních kolonách s kroužkovou výplní. H2S + Na2CO3 → NaHS + NaHCO3
(28)
H2S + NH2-C2H4-OH → HO-C2H4-NH3HS
(29)
H2S + NH(C2H4OH)2 → (HO-C2H4)2NH2SH
(30)
H2S + 2 (CH3)2N-CH2-COOK + CO2 + H2O →
207
→ 2 (CH3)2N-CH2-COOH + KHCO3 + KHS
(31)
Reakce (28 - 31) jsou používány pro odstraňování sulfanu např. ze surovin a meziproduktů výroby vodíku nebo přípravy syntézní směsi pro výrobu čpavku. Účinnost absorpce sulfanu je téměř 100 % - jeho koncentraci lze snížit až na 6 ppm při použití MEA (29) a na 50 ppm při použití DEA (30) i při vstupních koncentracích sulfanu na úrovni 3 – 6 % obj.! Probíhají zároveň s absorpcí oxidu uhličitého, jak bylo uvedeno dříve. Všechny uvedené reakce jsou vratné - za horka probíhají v obráceném směru. Realizovány jsou zpravidla v absorpčních kolonách s výplní. Rychlost absorpce sulfanu alkacidovou metodou v dimetylaminooctanu draselném dle rovnice (30) je rychlejší než u oxidu uhličitého. Proto je účinnost absorpce sulfanu cca 99 % a oxidu uhličitého asi 95 %. Cl2 + Na2CO3 → 4 Cl2 + 2 Ca(OH)2 →
Na Cl + NaClO + CO2
(32)
CaCl2 + Ca(ClO)2 + 2 H2O
(33)
Cl2 + 2 NaOH → NaCl + NaClO
(34)
HCl + NaOH → NaCl + H2O
(35)
2 HCl + Ca(OH)2 → CaCl2 + 2 H2O
(36)
2 HCl + Na2CO3 →
(37)
2 NaCl + CO2 + H2O
HF + NaOH → NaF + H2O 2 CO + [Cu (NH3)ě]2CO3 + 2 NH3 → [ Cu(NH3)3CO]CO3
(38) (39)
Výše uvedené absorpce plynů v alkalických roztocích (32 – 39) jsou používány pro čištění odpadních průmyslových plynů a spalin ve spalovnách. Zde bývají pro absorpci používány roztoky NaOH, sody nebo vápenné mléko. Realizovány jsou většinou v absorpčních kolonách s kroužkovou výplní. Reakce (33) má důležité technologické využití je - jednou z reakcí, jež probíhají během výroby tzv. chlórového vápna. Reakce (38) bývá používána při čištění meziproduktů během výroby vodíku a syntézní směsi pro výrobu čpavku (oxid uhelnatý lze také fyzikálně absorbovat v kapalném dusíku). Absorpce čpavku v kysele reagujících roztocích: NH3 + H3PO4 → NH4H2PO4
(40)
2 NH3 + H3PO4 → (NH4)2HPO4
(41)
NH3 + H2SO4 → NH4HSO4
(42)
Reakce (40 – 42) bývají prováděny ve Venturiho pračkách pomocí zředěných roztoků kyselin. Toto uspořádání je používáno pro čištění odpadních plynů z neutralizací, případně i odpařování výroben kombinovaných hnojiv typu NP a NPK. Brýdové páry odsávané z neutralizačních reaktorů a odparek často unášejí kapky roztoků a tavenin, které spolehlivě
208
odloučí právě Venturiho pračky. S výhodou je používána kyselina fosforečná, neboť absorpcí vznikající roztok je ve výrobnách kombinovaných hnojiv dobře zpracovatelný. 9.1.5. Desorpce (exsorpce) Jak bylo uvedeno v předchozí kapitole, desorpce velmi často navazují na systémy absorpční. Tímto způsobem jsou v průmyslovém měřítku vyráběny technické plyny – např. oxid uhličitý, sulfan a oxid uhelnatý. Desorpce je dosaženo zahřátím absorpčního roztoku a snížením tlaku. Někdy je desorpce iniciována profukováním inertního plynu absorpční kapalinou. 2
7
3
4
4
8
9
4
5 12 1
6
10 Obr. č. 9.4.
11
11
11
Kombinace systému absorpce a desorpce 1 – vstup čištěného plynu, 2 – výstup plynu, 3 a 5 – desorbovaný plyn, 4 – chladící voda, 6 – pára, 7 – absorpční kolona, 8 – desorpční kolona, 9 – chladič a kondenzátor par, 10 – výstup absorpčního roztoku, 11 – cirkulační čerpadlo, 12 – předehřívací výměník
Kontrolní otázky 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Co je principem absorpce a za jakých podmínek probíhá s nejvyšší účinností? Které zákony definují termodynamiku a kinetiku absorpce? Které technologie absorpce jsou užívány, jak jsou účinné? Jaké základní konstrukce absorpčních aparátů jsou používány? Jaké objemové průtoky a rychlosti proudění plynů a par jsou použitelné v různých typech absorbérů? Za jakých podmínek probíhá nejlépe desorpce? K čemu je desorpce technologicky využitelná? Které absorpční roztoky jsou vhodné pro zachycení kysele a nebo alkalicky reagujících plynů? Jak je v průmyslové praxi nakládáno s absorpčními kapalinami? Jakými technickými prostředky je řízen provoz absopčních stanic?
209
9.2.
Adsorpce a desorpce
Adsorpce a desorpce náleží do skupiny difusních procesů. Reversním pochodem k adsorpci je desorpce. Adsorpce je spojena s hromaděním jedné nebo více složek ze směsi plynů či roztoků na povrchu pevné látky (adsorbentu). K adsorpci dochází jak na vnějším povrchu tuhých látek, tak i v pórech. Je jedním ze základních procesů probíhajících při heterogenně katalyzovaných reakcí. Množství adsorbované složky na povrchu adsorbentu je závislé na teplotě, tlaku a chemickém složení soustavy. Adsorpce se běžně uplatňuje v přírodním prostředí, kde bezprostředně ovlivňuje pohyb iontů nebo molekul různých látek složkami životního prostředí, zejména vodním prostředím a atmosférou. V průmyslové praxi má význam jak pro dělení a čištění plynů nebo kapalin, tak pro heterogenně katalyzované reakce. Schopnost adsorpce plynů roste s jejich bodem varu. Tabulka č. 9.1. Závislost adsorpce plynů na jejich bodu varu
Plyn
SO2 Cl2 NH3 H2S HCl N2O CO2 CH4 CO O2 N2 H2
Objem adsorbovaného plynu (ml.g-1 aktivního uhlí) 380 235 181 99 72 54 48 16,2 9,3 8,2 8,0 4,7
bod varu (K) 263,1 238,5 239,7 213,5 188,1 183,7 181,5 111,7 81,6 90,2 77,3 20,3
Jsou rozeznávány dva základní typy adsorpce: 9.2.1. Fyzikální adsorpce - proces vyvolaný působením slabých interakcí typu van der Waalsových sil na fázovém rozhraní pevná látka – tekutina, - aktivační energie je malá, cca 5 kJ.mol-1, - je exotermní proces, při němž se uvolní cca 20 – 40 kJ.mol-1. Uplatňuje-li se mechanismus kapilární kondenzace, blíží se množství tepla uvolněného při adsorpci teplu kondenzačnímu, - rychlost adsorpce i desorpce je proto rychlá i při nízkých teplotách blížících se teplotě bodu varu, je málo specifická, téměř nezávislá na chemické povaze adsorbentu,
210
- množství adsorbovaného plynu klesá s růstem teploty – při kritické teplotě a vyšší je téměř nulová, - množství adsorbovaného plynu je závislé na rovnovážné teplotě a tlaku plynu. Pevná látka pro fyzikální adsorpci je zpravidla tím lepší adsorbent, čím větší má měrný povrch. V menší míře jsou používány přírodní adsorbenty. Syntetické adsorbenty jsou používány mnohem častěji, neboť mají vyrovnanou a reprodukovatelnou kvalitu, vykazují větší měrný povrch, který je řádově vyjádřen v desítkách až stovkách m2. g-1. Pro fyzikální adsorpci jsou používány např. následující adsorbenty: - aktivní uhlí - aktivní koks - alumina (Al2O3) - silikagel (SiO2) - zeolity (hlinitokřemičitany) 9.2.2. Chemisorpce (aktivovaná adsorpce) - adsorbovaná látka na povrchu adsorbentu chemicky reaguje, je poutána chemickou vazbou, - adsorbované molekuly pokrývají povrch adsorbentu monomolekulární vrstvou jen na aktivních centrech, tato vrstva není souvislá, - aktivační energie je v rozmezí 80 – 400 kJ.mol –1, - chemisorpce je exotermní reakcí při které se uvolní teplo cca 50 – 400 kJ.mol –1, - kinetika chemisorpce je nízká a je určena kinetikou probíhající chemické reakce. Změna reakční rychlosti s teplotou odpovídá Arheniově rovnici. Rychlost chemisorpce je vyjadřována v mol.g-1 adsorbentu, neboť velikost aktivního povrchu není známa, - je do značné míry specifická – záleží na chemické reaktivitě adsorbované složky a adsorbentu, - zpravidla se jedná o nevratný proces, pouhá změna teploty a tlaku nepostačuje k desorpci chemisorbované složky. Regenerace povrchu adsorbentu chemickou reakcí a tím obnovení jeho aktivity bývá možné, - mezi chemisorpční procesy jsou rovněž řazeny iontovýměnné reakce umožňující zachycení kationtů a aniontů z roztoku, - při matematickém popisu chemisorpce je předpokládáno, že: - neprobíhá fyzikální adsorpce, - chemisorbované molekuly se vzájemně neovlivňují, - během sorpce se uplatňuje jen jeden mechanismus, - látky se chovají ideálně – aktivity lze nahradit parciálním tlakem nebo koncentrací, Pro chemisorpci bývají používány např. následující materiály: - čisté kovy na inertním nosiči (Cu, Zn), - oxidy kovů (CaO, ZnO), - hydroxidy kovů (Fe(OH2, Ca(OH)2, Al(OH)3 ), - iontoměniče – polymerní nosič s funkčními skupinami: - karboxilových kyselin –COOH - organických zásad - NH2
211
9.2.3. Termodynamika adsorpce Rovnováhu při adsorpci vyjadřují: Freundlichova isoterma XA = a . pA1/ a
,
(9.48)
kde XA je relativní koncentrace adsorbované látky A na adsorbentu, a je konstanta nepřímo úměrná teplotě, p je tlak a n je stupeň pokrytí. Obecně platí, že n > 1 a s rostoucí teplotou se blíží 1. Těmkinova isoterma XA = a + b . log pA
,
(9.49)
kde b je konstanta. Význam ostatních symbolů je shodný s výrazem (9.48). Langmuirova isoterma XA
a . pA = -----------------1 + b . pA
,
(9.50)
kde význam jednotlivých symbolů je shodný s rovnicemi (9.48, 9.49). Pokud se hodnota součinu ( b . pA ) za nízkých tlaků blíží nule, je uvedený vztah obdobou Henryho absorpčního zákona. Rovnice (9.50) je odvozena pro případ tvorby monomolekulární vrstvy na aktivních centrech adsorbentu. Je používána pro řešení tzv. aktivované adsorpce – chemisorpce. Rovněž velmi dobře vyhovuje adsorpci na povrchu s póry pod 25 . 10-10 m. Isoterma BET (Brunauer, Emmelt, Teller) Y 1 (C - 1) ------------------ = --------------- + ---------------- Y V(1 - Y) VM . C VM . C
(9.51)
QG - QL C = exp [ ---------------- ] RT
(9.52)
P Y = -------Po
(9.53)
,
kde V je celkový objem adsorbovaného plynu při 0 oC a 760 torr, VM je objem plynu nutný pro vytvoření monomolekulární vrstvy za shodných podmínek, Y je relativní tlak, P je tlak tlak rovnovážný, Po je tlak nasycených par při teplotě měření, QG je adsorpční teplo plynu a QL je kondenzační teplo adsorbovaného plynu. Rovnice (9.50) vyhovuje pro póry nad 25. 10-10 m, nedocházi-li ke kapilární kondenzaci. Je odvozena pro adsorpci za teplot blízkých bodu varu plynu, adsorpce probíhá v n vrstvách nad
212
sebou, adsorpční teplo se uvolňuje jen při adsorpci 1. vrstvy, v dalších vrstvách se uvolňuje kondenzační teplo plynu, v dynamické rovnováze si každý z útvarů na povrchu adsorbentu zachovává konstantní rozlohu. Pozor - číselné hodnoty konstant a, b se v jednotlivých rovnicích (9.48 – 9.50) liší! 9.2.4. Kinetika adsorpce Matematické vztahy uvedené v kapitole 4.2.2. pro absorpci mají obecnou platnost pro všechny difúzní procesy, proto v plném rozsahu platí i pro adsorpci a desorpci. 9.2.5. Konstrukce a technologické uspořádání adsorpce (desorpce) Tlakové adsorpční aparáty jsou vždy ocelové nádoby s válcovým pláštěm a hluboce klenutými dny a víky. Adsorbéry pracující za tlaků blízkých tlaku atmosférickému mají konstrukci jednodušší a méně robustní. Konstrukce a volba typu ocelí závisí na provozním tlaku a korozívních vlastnostech zpracovávaných plynů. Jejich provozní tlak se běžně pohybuje mezi 0,1 – 10 MPa. Směs plynů uváděná do adsorbérů musí být odprášená, aby nedocházelo k zanášení povrchu a pórů adsorbentu prachovými částicemi. Jediné vyhovující odprášení je možné na textilních, papírových nebo keramických filtrech. Zároveň musí být směs plynů předchlazena na teplotu optimální pro adsorpci. V řadě případů je nutné i předsušení např. kondenzací. Pak je zaručena dlouhá životnost adsorbentu a vysoká odlučivost. Koncentraci znečišťujících složek ve směsích plynů lze adsorpcí snížit až pod úroveň 1 ppm. V tomto smyslu náleží adsorpce k nejúčinnějším metodám čištění plynů nebo separace složek ze směsí plynů a par. 9.2.5.1.
Adsorbéry s pevným ložem
Adsorbent je uložen v jedné nebo více vrstvách na pevném roštu, v malých adsorbérech v koši z ocelového perforovaného plechu nebo ocelové sítoviny. Částice adsorbentu mají tvar tablet, plných nebo dutých válečků, kuliček, hrudek apod. Cílem je vytvoření vrstvy dobře propustné pro plyny s malým hydraulickým odporem a s co nejmenším vzájemným kontaktem částic adsorbentu. Tvarem částic a uspořádáním lože adsorbentu je zajištěn velký mezifázový povrch nutný pro rychlou výměnu hmoty difúzí. Průmyslové adsorbéry s pevným ložem jsou používány většinou pro práci s menšími objemy čištěných směsí plynů řádově do několika desítek tisíc Nm3.hod-1 za pracovního tlaku kolem 1 MPa. Pro kontrolu provozu adsorbérů je kontinuálně měřena teplota a tlak plynů na vstupu i výstupu. Na adsorpčních stanicích malé kapacity jsou pracovní a regenerační cykly přepínány periodicky pomocí časového relé před nasycením adsorpčního lože. Na velkých provozních jednotkách jsou instalovány automatické analyzátory plynů, které indikují na výstupu účinnost odloučení adsorbované složky a tím stav nasycení lože adsorbentu. Průnik adsorbované složky do výstupu plynu signalizuje nasycení vrstvy a nutnost její regenerace. Regenerace je realizována odpojením přívodu směsi plynů, ohřevem lože adsorbentu horkým inertním plynem nebo vodní parou. Někdy je ohřev lože zajištěn elektrickými topnými články zabudovanými v loži adsorbentu. Způsob regenerace je zásadně ovlivněn fyzikálně-
213
mechanickými vlastnostmi adsorbentu – postup regenerace nesmí způsobit rozpad částic adsorbentu. Z uvedeného textu je patrný diskontinuální provoz adsorbérů. Pro kontinualizaci provozu je nutná druhá paralelní adsorpční linka. Jeden adsorbér je v provozu, druhý se regeneruje nebo zůstává v záloze. U velkokapacitních adsorpčních linek může být paralelně řazeno i více aparátů. Ve vybraných technologických případech jsou v paralelních linkách řazeny adsorbéry i do série – do několika stupňů. Každý ze stupňů odstraňuje adsorpcí z původní směsi plynů jednu ze složek. Adsorbéry s pevným ložem jsou používány pro: a) Čištění směsí plynů adsorpcí: - dioxinů, benzofuranů, dibenzofuranů a jejich derivátů z absorpcí předčištěných kouřových plynů ve spalovnách odpadů komunálních, průmyslových a nebezpečných. Adsorbent není v těchto případech regenerován. Je zneškodňován cementací za chladu a ukládáním do skládek nebezpečného odpadu nebo je adsorbent spalován za přesně definovaných podmínek (teplota hoření a doba zdržení spalin v zóně teplot nad 1200 oC po dobu min. 2 sec., vysoký přebytek kyslíku, prudké podchlazení spalin), - uhlovodíků a jejich derivátů v petrochemickém průmyslu, - rozpouštědel nátěrových hmot ze vzduchu odsávaného v lakovnách, stříkacích komorách aj. zařízeních pro antikorozní ochranu kovů ve strojírenském průmyslu s možností regenerace rozpouštědel, - vodních par ze vzduchu pro technologii, měření a regulaci, - čištění vzduchu pro klimatizované prostory s vysokými nároky na kvalitu ovzduší ve zdravotnictví, analytických laboratořích, farmaceutickém a elektronickém průmyslu aj. 2
4
3
1
5 Obr. č. 9.5.
Adsorbér s pevným ložem 1 – vstup směsi čištěných plynů s uzavírací armaturou, 2 – výstup čištěných plynů, 3 – pevné lože adsorbentu, 4 – vstup regeneračního média s uzavírací armaturou, 5 - výstup regeneračního média
214
b) Technologické účely - technologie PSA (Pressure Swimming Adsorption): - dělení vzduchu na složky v chemickém a ocelářském průmyslu, - dělení směsí uhlovodíků na složky v petrochemickém průmyslu apod. 9.2.5.2.
Adsorbéry s pohyblivým ložem
V principu jsou možná dvě základní uspořádání – buď jsou používány adsorbéry s fluidním ložem adsorbentu nebo je adsorbent dávkován do proudu plynu (proudové adsorbéry). a) Fluidní adsorbéry Zdola proudící plyn vytváří fluidní lože - fluidní vrstvu adsorbentu. Jsou vyžadovány adsorbenty s pevnými, dostatečně tvrdými a pokud možno monodisperzními částicemi. To umožňuje spolehlivé vytvoření fluidního lože a zajišťuje malý otěr částic. Přesto musí být vystupující plyn odprašován, aby úlet prachu čištěnou směs plynů neznečišťoval. Zásadní výhodou tohoto typu adsorbérů je dokonalý kontakt směsi plynů s adsorbentem, což je zárukou vysokého měrného výkonu na jednotku adsorpčního prostoru. Pokud fluidní adsorpce pracuje za např. atmosférického tlaku je adsorbent z fluidního lože kontinuálně pneumaticky odsáván k regeneraci a po regeneraci průběžně vracen do fluidního lože. 2
3
44
4
5
1 Obr. č. 9.6.
Adsorbér s fluidním ložem 1 – vstup směsi čištěných plynů, 2 – výstup čištěných plynů, 3 – dávkování adsorbentu, 4 – rošt s fluidním ložem, 5 - výstup adsorbentu
b) Proudové adsorbéry Aadsorbent je unášen proudem čištěného plynu. Jsou nenáročné na disperzitu a pevnost částic adsorbentu. Adsorbent je z proudu plynu odlučován na cyklónu a textilním filtru, častěji jen na textilním filtru. Toto uspořádání je častější, neboť adsorpce dobíhá i ve filtračním koláči filtru. Po regeneraci je adsorbent vracen zpět do proudu plynu. Proudové adsorbéry bývají používány pro čištění kouřových plynů ve spalovnách odpadů od dioxinů, benzofuranů, dibenzofuranů a jejich derivátů. Adsorbent není v těchto případech regenerován. Je zneškodňován cementací a ukládáním do skládek nebezpečného odpadu. Cementace musí proběhnout za chladu, aby nedošlo k desorpci škodlivin. Adsorbent bývá také spalován za přesně definovaných podmínek.
215
2
4
5 3
8
11 9
6 1 Obr. č. 9.7.
7
10
Proudový adsorbér s pohyblivým ložem 1 – vstup směsi čištěných plynů, 2 – výstup čištěných plynů, 3 – proudový adsorbér, 4 – textilní filtr, 5 – výstup adsorbentu, 6 – regenerace adsorbentu, 7 vstup regeneračního média, 8 – výstup plynů z regenerace, 9 - dávkování adsorbentu, 10 – odvod vyčerpaného adsorbentu, 11 – přívod nového adsorbentu
Kontrolní otázky: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Co je principem adsorpce a desorpce? Je spojena s tepelným efektem? Které zákony definují termodynamiku a kinetiku adsorpce? Vyjmenujte alespoň tři různé adsorpční materiály - adsorbenty! Vyjmenujte a načrtněte základní typy adsorpčních aparátů! Za jakých podmínek probíhá nejlépe adsorpce! Je adsorpce a chemisorpce vratným jevem?
Poznámka: Dříve uvedené fyzikálně-chemické metody odlučování znečišťujících složek ze směsí plynů nemusí vždy vyhovět nárokům na emise škodlivin do atmosféry. Technologická zařízení také jsou pro velké objemy čištěných směsí plynů s nízkou koncentrací znečišťující složky příliš rozměrná a proto investičně i provozně drahá. Pokud je znečišťující složka nebezpečná nebo jinak škodlivá (z pohledu chemie atmosféry, toxikologie apod.) nebo zapáchající sloučenina, je účelná její chemická přeměna na produkty méně škodlivé či inertní. Oxidační a redukční chemické reakce katalyzované nebo nekatalyzované a biotechnologické postupy potom jsou metodami, které zajišťují bezpečné a ekonomické zneškodnění odpadních plynů nebo par a splnění emisních limitů. Příslušné metody jsou popsány v literatuře, např. Richter M.: Technologie ochrany ŽP, část II.
216
9.3.
Krystalizace
Při krystalizaci jsou vylučovány krystaly tuhých látek z: • kapalné fáze (tavenin nebo roztoků), • plynné fáze (desublimace, solidifikace), • tuhé fáze. Krystalizace má velký praktický význam pro oddělování tuhých látek z roztoků a tavenin během výrobních procesů. Nemenší význam má krystalizace pro vyčištění kapalin a výrobu velmi čistých tuhých látek, protože krystaly jsou až na případy isomorfie stejnorodé látky s přesně definovaným chemickým složením. Krystalizace v tuhé fázi má význam pro metalurgii nebo technologie silikátů, kdy vznikají jiné formy krystalů a významně se mění fyzikálněchemické vlastnosti příslušných látek. Pro oddělování nebo čištění látek nemá krystalizace v tuhé fázi význam. Krystalizační postupy dále jsou členěny dle způsobů sycení: • • • • • •
ochlazováním, odpařováním za atmosférického nebo sníženého tlaku, adiabatickým odpařováním, vysolováním, přídavkem druhého rozpouštědla, chemickou reakcí (srážením).
9.3.1. Fázová rovnováha Rovnovážný stav v kondenzovaném systému je při dané teplotě definován koncentrací složky v nasyceném roztoku, tj. její rozpustností vyjádřenou např. koncentrací c v g.l-1, hm. % nebo g/100 g rozpouštědla. Diagram rozpustnosti sloučenin v závislosti na teplotě lze obecně vyjádřit křivkou rozpustnosti. Průběh chlazení a krystalizace dle obr. 9.8. je následující. Výchozí nenasycený roztok A se ochlazováním sytí, až dosáhne rovnovážné křivky nasycení, tj. bodu B. Teprve dalším podchlazením dojde k přesycení roztoku a tvorbě krystalizačních zárodků (nukleaci). Ta je spojena s vylučováním krystalů v bodě C, který odpovídá maximálnímu dosažitelnému přesycení roztoku. Pak dojde vyloučením krystalů k poklesu koncentrace roztoku s ustavením rovnováhy v bodě D na rovnovážné křivce rozpustnosti. Bod D odpovídá koncentraci nasyceného roztoku při dosažení konečné teploty ochlazení roztoku. Závislost rozpustnosti c na teplotě T lze vyjádřit přibližným vztahem v difrenciálním tvaru:
d log cS -----------------1 d ( ------ ) T
=
konst
,
(9.54)
kde cs je koncentrace nasyceného roztoku. Vztah umožňuje linearizaci dat rozpustnosti.
217
C (g/100g H2O)
b
a
III II I C B
A
D
Obr .č. 9.8
T (oC) Obecný diagram rozpustnosti a – křivka rozpustnosti, b – křivka přesycení (hrana metastabilní oblasti), I – stabilní oblast nenasyceného (zředěného) roztoku, II – metastabilní oblast přesyceného roztoku, III – nestabilní oblast nasyceného roztoku
Látková bilance krystalizace vychází z celkové bilance proudů: mZR
=
mK
+
mMR
+
mOR
(9.55)
moR mZR
m MR
,
mK kde mZR je hmotnost zředěného roztoku na vstupu do krystalizace, mK je hmotnost vyloučených krystalů, mMR hmotnost matečného roztoku a mOR hmotnost odpařeného rozpouštědla. Vše pro diskontinuální krystalizaci v kg/šarži nebo pro kontinuální krystalizaci např. v kg/hod. V návaznosti na materiálovou bilanci lze zpracovat bilanci tepelnou QZR + QR + QKR = QK + QMR + QOR ,
(9.56)
kde QZR je teplo přinášené do krystalizace zředěným roztokem, QR je rozpouštěcí teplo, QKR je teplo krystalizační, QK je teplo odváděné z krystalizace krystalickým produktem, QMR teplo odváděné matečným roztokem a QOR teplo odváděné odpařeným rozpouštědlem. QZR = mZR . cZR . tZR
(9.57)
218
QR = mK . qRK
(9.58)
QKR = mK . qK
(9.59)
QMR = mMR . qMR . tMR
(9.60)
QOR = mOR . qV ,
(9.61)
Kde ti jsou teploty vstupního proudu nebo teploty výstupních proudů, qi jsou měrná tepla výparná, rozpouštěcí a krystalizační, ci jsou měrná tepla zředěného roztoku, matečného roztoku a krystalů. 9.3.2. Kinetika růstu krystalů a krystalizace Kinetika krystalizace je proces tvořený sledem následných dílčích dějů: – převod částic krystalizující látky z objemu roztoku k adsorbované vrstvě při povrchu krystalu, – pohyb částic v adsorbované vrstvě, – zařazení částic do krystalové mřížky, – odvod krystalizačního a rozpouštěcího tepla adsorbovanou vrstvou, – odvod krystalizačního a rozpouštěcího tepla do objemu roztoku. Nejpomalejší z uvedených dílčích dějů pak určuje rychlost krystalizace. Vlastní rychlost převodu hmoty při krystalizaci je určena ustáleným stavem mezi difusí částic látky k adsorpční vrstvě: dm D A (9.62) -------- = ----------- ( c - c1 ) dτ δ a rychlostí začleňování částic do krystalické mřížky: dm -------- = K A ( c1 - cS ) dτ
,
(9.63)
kde dm/dτ je rychlost převodu hmoty, A je plocha, δ je síla adsorbované vrstvy, D je difusní koeficient, c je koncentrace nasyceného roztoku a cS je koncentrace přesyceného roztoku a c1 je koncentrace roztoku na adsorbované vrstvě. Za ustáleného stavu jsou si obě hodnoty rychlostí dm/dτ rovny. Na rychlost krystalizace má vliv řada faktorů, hlavně teplota, intenzita míchání, přítomnost dalších rozpustných látek, rychlost chlazení, rychlost odpařování rozpouštědla, způsob nukleace nebo očkování roztoku krystaly, velikost a zrání krystalů aj. Vypočtená data je nutno korigovat dle experimentálně zjištěných výsledků. Proto se v praxi často uplatňují různé matematické vztahy odvozené na základě experimentálních dat stanovených pro reálné případy, např.: dm -------- = K A ( c - cs ) n (9.64) dτ 219
Hnací silou procesu je přesycení - rozdíl koncentrací nasyceného a přesyceného roztoku. Exponent n má zpravidla hodnotu 1,5 – 2,0. 9.3.3. Hlavní typy krystalizátorů Vývoj konstrukcí krystalizátorů a krystalizačních stanic spěje k tomu, aby tato zařízení poskytovala rovnoměrnou kvalitu krystalického produktu. Tím jsou rozuměny krystaly určité velikosti pokud možno v úzkém rozmezí disperzity, dobře filtrovatelné a promývané – zbavené matečného roztoku. Přitom tato zařízení musí být relativně konstrukčně jednoduchá, provozně spolehlivá, s možností automatizace provozu a vysokým výkonem na jednotku krystalizačního prostoru. Pak lze dosáhnout příznivých investičních a hlavně nízkých provozních nákladů. Základními podmínkami pro splnění výše uvedených nároků je zajištění rovnoměrného složení zpracovávaných roztoků, přesné řízení teplotního režimu a definované proudění v prostoru krystalizátoru. Hydraulické podmínky v krystalizátoru jsou dány hlavně charakterem proudění – průtočnými rychlostmi a intenzitou míchání. Prakticky vždy je u moderních krystalizátorů požadován klasifikační účinek – dobrá sedimentace krystalů žádané velikosti a naopak udržení jemných krystalů ve vznosu – v proudu přesyceného roztoku. Tím je zajištěn jejich další růst na požadovanou velikost. Klasifikační účinek významně podporují difuzory usměrňující proudění uvnitř krystalizátorů. V průmyslové technologické praxi se uplatňují např. následující typy krystalizátorů: a)
Krystalizátor s vrtulovým míchadlem a duplikátorovým chlazením (topením) Tento typ krystalizátoru je jednoduchý a levný, ale málo výkonný. Při odpařovací krystalizaci je přesycení dosahováno odparem rozpouštědla. Topným médiem je vždy sytá vodní pára. Účinnější výměnu tepla zajišťují trubkové hady umístěné uvnitř krystalizátoru místo duplikátoru. Mnohem výkonnější a provozně spolehlivější je umístění výměníku tepla mimo prostor krystalizátoru s nucenou cirkulací roztoku pomocí odstředivého čerpadla. Toto uspořádání je uvedeno na obrázku č. 2 jako příklad ochlazovacího krystalizátoru, typ Krystal, Oslo. V ochlazovacích krystalizátorech je přesycení dosahováno podchlazením zředěných roztoků. Jako chladící médium je často používána užitková voda. Pokud je nutné chladit na teploty pod cca 30 oC, používá se strojní chlazení, kde je teplosměnným médiem solanka – nasycený roztok NaCl ve vodě. Rizikem při chlazení roztoků je vždy inkrustace teplosměnných ploch. S tím se musí počítat jak při návrhu jejich velikosti, tak jejich pravidelným čištěním ohřevem nebo proplachem např. horkou vodou po vyřazení krystalizátoru z provozu. Výhodou nucené cirkulace s oběhovým čerpadlem je částečné potlačení inkrustace teplosměnných ploch díky intenzivnímu průtoku chladící kapaliny při definované a vždy vysoké turbulenci v trubkovnici chladiče.
220
1
2
8
5 3
4 6
7 Obr. č. 9.9
Krystalizátor s vrtulovým míchadlem 1 – přívod zředěného roztoku, 2 – hřídel vrtulového míchadla, 3 – duplikátorové chlazení (topení), 4 – přívod chladící vody, 5 – odvod oteplené vody, 6 – difuzor, 7 – výpust suspenze krystalů, 8 – odsávání par
1 2
3 5
4 6
Obr. č. 9.10
Klasifikační chladící krystalizátor s cirkulačním mícháním 1 – přívod zředěného roztoku, 2 – krystalizátor 3 – difuzor, 4 – čerpadlo cirkulačního okruhu, 5 – trubkový výměník tepla (chladič), 6 – výpust suspenze krystalů
221
b) Velmi často je v průmyslové praxi používána odpařovací krystalizace (viz obr. č. 9.11). Při odpařovací krystalizaci je přesycení dosahováno odparem rozpouštědla, zpravidla vody. Klasickým případem je výroba surového cukru z roztoku cukru ve vodě (cukerné šťávy). 2
1
3
4
5 Obr. č. 9.11. Krystalizační odparka s přirozenou cirkulací (atmosférická nebo vakuová) 1 – přívod zředěného roztoku, 2 – odvod brýdové páry z odlučovače kapek, 3 – přívod topné páry do topné soustavy s centrální cirkulační trubkou, 4 – odvod parního kondenzátu, 5 – výpust suspenze krystalů Topným médiem je prakticky vždy sytá vodní pára. Topná pára zahřívá odpařovaný roztok na bod varu v trubkovnici - topné soustavě tvořené trubkovým výměníkem tepla, který je umístěn uvnitř odparky. Toto umístění je běžné při snadné přirozené cirkulaci roztoku trubkovnicí. Pokud je odpařovaný roztok se suspendovanými krystaly příliš viskózní, což by přirozenou cirkulaci výrazně zhoršovalo a hrozilo by zarůstání (inkrustace, zapečení) trubkovnice, umísťuje se topná soustava vně odparky. Cirkulace je pak nucená pomocí odstředivého čerpadla. Toto uspořádání je také používáno v případech zahušťování roztoků se silnými korosivními účinky. Technologické čištění a opravy netěsností na topné soustavě potom jsou mnohem jednodušší. Konstrukčně je uspořádání krystalizačních odparek s vnější
222
topnou soustavou a nucenou cirkulací složitější a investičně dražší, ale je pro uvedené případy je provozně spolehlivější i levnější. Odpařovacím krystalizátorem je v principu jedno nebo vícestupňová odpařovací stanice. Zpravidla je používáno dvou až čtyř odparek řazených v sérii, ale nejsou výjimkou i vyšší počty odpařovacích stupňů. Odparky pracují za atmosférického tlaku nebo s výhodou za tlaku sníženého – pak je hovořeno o vakuových odpařovacích krystalizátorech. Vakuové odpařovací krystalizátory pracují díky sníženému bodu varu roztoku při nižší provozní teplotě. To je výhodné z hlediska úspor tepla, nižších nároků na parametry topné syté páry a potlačení rizika termického poškození krystalických produktů (např. vznik karamelu při odpařování cukrové šťávy). Pokud je brýdová pára odváděna z jednoho odpařovacího stupně vakuového krystalizátoru čistá a bez inkrustujících látek, bývá využívána jako topná pára v následujícím stupni. Teoreticky tak lze snížit měrnou spotřebu topné páry na odpar vody např. u třístupňového uspořádání na 1/3. Trubkovnice je zcela ponořena v odpařovaném roztoku, jak je naznačeno na obr. 9.11., případně je hladina snížena, což je výhodné pro další snížení bodu varu roztoku a úsporu topné páry. Rozhodující je teplotní stabilita odpařovaných látek a tendence k inkrustaci topných ploch. 9.4.
Granulace, tabletace, šupinkování 31
Granulací, tabletací nebo šupinkováním je rozuměna tvorba pravidelných částic, zpravidla kuliček, hrudek, šupin nebo zrn jiných tvarů s definovanými rozměry, obvykle v rozmezí 1 – 4 mm. Cílem granulace je vyrobit materiál s částicemi určité velikosti bez obsahu prachu nebo slepenců a hrud. Tím je zajištěna ochrana pracovního a životního prostředí během veškeré manipulace s tuhým materiálem a jeho aplikace (např. u tuhých průmyslových hnojiv), snadné skladování, doprava a přesné dávkování (např. tablety léčiv). Systémy granulace lze řadit k procesům krystalizačním, neboť při nich často probíhá krystalizace tuhých látek z tavenin, přesycených roztoků a suspenzí krystalů nebo spojování tuhých částic krystalickými můstky. V principu jsou rozlišovány granulační zařízení následujících typů: stříkání (priling) tavenin nebo horkých nasycených roztoků do proudu 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, lisováním tablet – tabletace práškovitých materiálů, hrudkování a aglomerace. Během granulace, šupinkování nebo tabletace se uplatňují následující mechanismy vzniku tuhých částic: • vzájemné spojování jednotlivých malých tuhých zrn – krystalů, prachových částic nebo hrudek většími kapkami tavenin nebo nasycených roztoků do větších částic, Vesměs se jedná o procesy spojování jemných zrn nebo pracových částic tvořených drůzami krystalů i jednotlivými krystaly. 31
223
• • • •
tuhnutí taveniny nebo krystalizace tuhé látky z nasyceného roztoku na povrchu relativně velkých již existujících tuhých částic, spojení vlhkých nebo lepivých částic za sucha nebo po přídavku pomocné látky (vodního skla, roztoku klihu, škrobu, KMC, čpavkové vody, sulfitového louhu aj. látek) účinkem tlaku, ztuhnutí kapek taveniny prudkým ochlazením v proudu chladného vzduchu, rychlé odpaření kapalné fáze z kapky nasyceného roztoku v proudu horkého vzduchu nebo spalin. 1
2
3
4
5 6 Obr. č. 9.13. Granulace taveniny stříkáním ve věži 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. č. 9.14. 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 224
2 1
3 4
5
Obr.č. 9.15. 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 Granulační zařízení z obrázků 9.13.–15. jsou často používána pro granulaci průmyslových hnojiv typu ledků a močoviny (9.13. a 14), kombinovaných a směsných hnojiv typu NP, PK nebo NPK (9.12. a 14.), ale i granulovaných potravin (9.12.). Uvedenými typy granulace je získán surový granulát. Ten musí být sušen zpravidla na obsah vlhkosti pod 1 % H2O, chlazen a tříděn. Všechna uvedená zařízení tvoří tzv. granulační smyčku. Vytříděný a vychlazený granulát pak bývá ještě povrchově upravován postřikem (stearylaminem, olejovými hydrogenáty, montánními vosky aj.) a pudrován anoganickými 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. 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. 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.
225
9.5.
Sušení
Sušením je v širším slova smyslu rozuměno odstraňování cizí kapalné fáze z látek různého skupenství. Při sušení je z plynů je odstraňována vlhkost např. absorpcí v koncentrované kyselině sírové nebo adsorpcí na pevných adsorbentech, z kapalin je odstraňována vlhkost probubláváním horkého plynu nebo opět adsorpčně. V užším slova smyslu je sušením rozuměn tepelný proces, při němž je odstraňována kapalná fáze z tuhých látek odpařením do proudu sušícího plynu, zpravidla vzduchu nenasyceného vlhkostí. Teplo nezbytné pro odpaření kapalné fáze dodává sušící plyn – horký vzduch nebo spaliny fosilních paliv. Sušením je z tuhých materiálů odstraňována kapalná fáze vypařováním. Jedná se o nejnákladnější proces odstraňování kapalné fáze z tuhých látek. Spotřeba tepelné energie pro sušení je vždy vysokou nákladovou položkou ve všech technologiích. Proto je žádoucí maximum kapalné fáze z materiálů odstranit jinými levnějšími fyzikálními postupy, např. filtrací, odstřeďováním, lisováním, nebo fyzikálně chemicky adsorpcí par. Tyto procesy ale bývají málo účinné pro odstraňování zbytkové koncentrace kapalné fáze, zbytkové vlhkosti. Pak je sušení nezastupitelné. Zpravidla je sušením snižován v tuhých látkách obsah vody - vlhkosti. Hlavními důvody pro sušení polotovarů a výrobků je zlepšení jejich fyzikálně-mechanických vlastností potlačením lepivosti a sklonu ke spékání (ztvrdnutí) nebo prodloužení trvanlivosti a zvýšení kvality. Tím jsou výrazně zlepšeny vlastnosti materiálů a sníženy náklady pro veškerou manipulaci s nimi, dopravu a skladování. Principiálně je rozeznáváno: Přirozené sušení – vlhkost je z materiálu odstraňována samovolným vypařováním do proudu vzduchu nenasyceného vlhkostí, jehož teplota odpovídá teplotě okolní atmosféry. Přitom je k vypařování vlhkosti využíváno jen tepelné kapacity suchého vzduchu, teplo není dodáváno z jiného zdroje energie. Výjimkou je sušení za spoluúčasti slunečního záření. Přirozené sušení je šetrné k sušenému materiálu, neboť jeho teplota je po celou dobu sušení nižší, než je teplota bodu varu odpařované kapaliny, zpravidla vody. Proudící vzduch se postupně sytí parami a klesá jeho teplota, rychlost difuse par ze sušeného materiálu do plynné fáze se postupně snižuje. Přirozené sušení je relativně levné, ale je velmi pomalé, vlhkost sušeného materiálu ani rychlost sušení nelze regulovat. Proto jeho použitelnost v průmyslových podmínkách je omezená. Přirozené sušení je také využíváno pro sušení materiálu na slunci nebo ve stínu za přirozeného proudění vzduchu. Příkladem je sušení např. zemědělských nebo potravinářských produktů - pícnin, slámy, obilnin, olejnin, léčivých rostlin, luštěnin aj. Užíváno je také v malokapacitních výrobách k sušení surových keramických a cihlářských výrobků před výpalem, řeziva ve dřevozpracujících provozech, textilií po vyprání nebo čištění, sušení výrobků po natírání, lakování, impregnaci apod. Umělé sušení - vlhkost je z materiálu odpařována horkým plynem ohřívaným v separátním zdroji tepla. Sušení většinou zajišťuje horký vzduch ohřátý v parních kaloriferech, odporovým elektrickým topením nebo přímo spaliny fosilních paliv. Teplota materiálu může překročit teplotu bodu varu odpařované tekutiny. Rychlost proudění a teplotu sušícího plynu lze
226
regulovat a tím je regulovatelná i vlhkost sušeného materiálu. Proto je v průmyslové praxi dávána přednost umělému sušení. Podle směru proudění sušícího plynu vůči sušenému materiálu jsou rozlišovány: Souproudé sušárny – směr pohybu materiálu sušárnou je shodný se směrem proudění sušícího plynu. Výhodou je, že sušený materiál s nejvyšší vlhkostí je v kontaktu s nejteplejším plynem, rychlost sušení je jen zpočátku vysoká, ale postupným sycením sušícího plynu vlhkostí se zpomaluje – celkově rychlost sušení není vysoká, páry odpařované vlhkosti unikají z materiálu pomalu, částice materiálu (granule, tablety aj.) se nerozpadají. Protože povrch vlhkého materiálu má teplotu tzv. mokrého teploměru, nepřehřívá se. Souproudé sušení je šetrné vůči sušenému materiálu, což je hlavní výhodou. Je vhodné pro teplotně nestabilní materiály podléhající termickému rozkladu (pyrolýze), měknutí nebo tavení.
1 2
Obr. č. 9.16
Schéma souproudé sušárny 1 – směr proudění sušícího plynu, 2 – směr pohybu sušeného materiálu
Protiproudé sušárny - směr pohybu materiálu sušárnou je opačný, než je směr proudění sušícího plynu. Výhodou je, že předsušený materiál s nižší vlhkostí je v kontaktu s nejteplejším plynem, rychlost sušení a tím výkon sušáren je vysoký, lze dosáhnout nižší konečné vlhkosti sušeného materiálu. Materiál musí být teplotně stabilní, neboť se v závěru sušení přehřívá.
1 2 Obr. č. 9.17
Schéma protiproudé sušárny 1 – směr proudění sušícího plynu, 2 – směr pohybu sušeného materiálu
Křížové sušárny - směr pohybu materiálu sušárnou je kolmý na proudění sušícího plynu. Výhodou je, že sušený materiál je trvale v kontaktu s horkým sušícím plynem s nízkou relativní vlhkostí. Rychlost sušení a tím výkon sušáren je v tomto případě nejvyšší va srovnání s předchozími případy. Lze dosáhnout velmi nízké konečné vlhkosti sušeného materiálu. Sušený materiál je sušen velmi rychle a je proto teplotně silně namáhán. Křížové sušárny jsou proto vhodné pro sušení materiálů teplotně stabilních, nepodléhajících pyrolýze.
227
1
2
1 Obr. 9.18
Schéma křížové sušárny 1 – směr proudění sušícího plynu, 2 – směr pohybu sušeného materiálu
Podle způsobu přívodu tepla jsou rozlišovány sušárny: konvenční – teplo přivádí sušící vzduch, kontaktní – sušená látka je v kontaktu s vyhřívanou plochou, sálavé – teplo je dodáváno infrazářiči nebo mikrovlnami, elektrické – teplo je dodáváno odporovým el. topením nebo vysokofrekvenčním dielektrickým topením, parní - přehřátá pára je míchána s chladným vzduchem, speciální případem je sušení vymrazovací – po zmrazení materiálu voda sublimuje.
Podle sušícího média jsou rozlišovány sušárny: vzduchové – sušícím médiem je vzduch spalinové – sušícím médiem jsou spaliny fosilních nebo recentních paliv, smíšené – horké spaliny jsou míchány s chladným vzduchem. V řadě technologií je důležitou podmínkou zachovat během sušení čistotu sušeného materiálu. Proto je k sušení přednostně používáno filtrací vyčištěného vzduchu zahřívaného nepřímým ohřevem parou nebo elektřinou, případně spalin zemního plynu. Podle charakteru proudění sušícího média jsou rozlišovány sušárny: s přirozenou konvekcí, s nucenou konvekcí – pohyb sušícího média je zajištěn ventilátory. Podle konstrukčního uspořádání a pohybu materiálu jsou rozlišovány sušárny: statické – materiál je jednorázově vložen do sušárny a během sušení se nepohybuje (např. sušárny skříňové, komorové, lískové), s přesýpáním materiálu – částice materiálu se vzájemně pohybují (např. sušárny válcové, trubkové, bubnové, hrabadlové, žlabové, třasadlové), materiál se nepřesýpá – částice se vzájemně nepohybují, projíždí sušárnou na pásu nebo vozících (např. sušárny komorové pásové a tunelové), úplné nebo částečné unášení materiálu proudem sušícího plynu (např. sušárny bubnové, proudové, rozprašovací, fluidní). Regulace provozu sušáren
228
Rozhodujícím parametrem provozu sušáren je teplota v pracovním prostoru. U sušáren s přirozenou nebo nucenou cirkulací sušícího média je regulována např. přívodem elektrické energie do odporových topných spirál. V sušárnách s nepřetržitým průtokem sušícího vzduchu je teplota regulována dle jeho výstupní teploty. Pokud je sušen materiál s omezenou teplotní stabilitou, je zpravidla dvojitým blokováním omezeno překročení maximální přípustné teploty na vstupu sušícího vzduchu nebo v prostoru sušárny. 9.5.1. Mechanismus sušení Sušení může probíhat za konstantní rychlosti sušení nebo s klesající rychlostí sušení. Předpokládáme, že je sušena tuhá částice obsahující ve vnitřních pórech kapalnou vodu vlhkost. Vlastní mechanismus procesu sušení lze rozdělit na dva souběžně probíhající procesy: •
prostup tepla z proudu sušícího plynu do nitra tuhé částice:
Např. v pracovním prostoru proudové nebo fluidní sušárny (viz. dále) kolem tuhé sušené částice (s) intenzivně proudí horký sušící plyn (3). Tepelná energie (1) je přenášena konvekcí k nepohyblivému povrchovému filmu - plynnému obalu částice. Kondukcí plynným obalem teplo přestupuje na pevný povrch sušené částice. Dále je kondukcí teplo vedeno materiálem částice do jejího nitra. V pórech je vlhkost v podobě kapalné vody odpařena – přeměněna v páru. •
difůze par vlhkosti z nitra pórů do proudu sušícího plynu:
Vlhkost – vodní pára (2) je z nitra tuhé částice (s) přenášena difůzí póry k povrchu částice. Dále pára difunduje nepohyblivým povrchovým filmem – plynným obalem částice. Z něho jsou vodní páry vlhkosti konvektivní difusí přenášeny do objemu sušícího plynu (3). Z popsaného mechanismu procesu sušení a jeho průběhu je patrné, že matematické zpracování v sobě musí souběžně zahrnovat procesy sdílení tepla a procesy difusní. Principy těchto procesů a základy matematického zpracování byly vysvětleny v předcházejících kapitolách. Z těchto vztahů lze vypočítat kinetiku sušení.
(s) 1
1
2
2
3
3
229
9.5.2. Materiálová bilance kontinuální protiproudé vzduchové sušárny Pro výpočet materiálové bilance sušení bývá obvykle zadáno: m1 - množství vlhkého materiálu na vstupu do sušárny (kg/hod.) x1 - koncentrace vlhkosti na vstupu (hmotnostní zlomek) m2 - množství vysušeného materiálu na výstupu ze sušárny (kg/hod.) mS - absolutní množství sušiny procházející sušárnou (kg/hod.) W - odpar vlhkosti (kg/hod.) x2 - koncentrace vlhkosti na výstupu (hmotnostní zlomek) G - průtok suchého vzduchu sušárnou (kg/hod.) G1 - vstup vlhkého vzduchu do sušárny (kg/hod.) G2 - výstup vlhkého vzduchu ze sušárny (kg/hod.) c1 - vlhkost vzduchu na vstupu do sušárny c2 - vlhkost vzduchu na výstupu ze sušárny
G1
G2
mě
m1
Základní rovnice hmotnostní bilance má tvar: m1 + G1 = m2 + G2
(9.65)
Množství odváděné vlhkosti W lze vypočítat z úbytku vlhkosti sušeného materiálu nebo přírůstku vlhkosti v sušícím plynu dle rovnic: W = m1 x 1 - m2 x 2
(9.66)
W = G2 c2 - G1 c1
(9.67)
Množství odvedené vlhkosti bývá vztahováno na 1 kg vstupujícího vlhkého materiálu, což vyjadřuje vztah: W m1 x 1 - m2 x 2 ------ = --------------------(9.68) m1 m1 Množství sušiny mS lze vyjádřit s ohledem na počáteční nebo konečné podmínky sušení: mS = m1 (1 - x1) mS = m1 (1 - x2)
(9.69) (9.70)
Měrná spotřeba sušícího vzduchu l je vyjadřována jako poměr množství suchého vzduchu vztažený na množství odvedené vlhkosti: L l = --------
9.71)
230
W 9.5.3. Entalpická bilance kontinuální protiproudé sušárny (2) s kaloriferem (1) Q1
QZ
1 G1,to, io
2
m2, tVYS
Q1 Q2 QZ to t1 t2 io i1 i2 m1 m2 W G cW cm
-
G2, t2, i2
Q2, t1, i1 m1, tVST
teplo dodané vzduchu v kaloriferu (kJ/hod.) teplo přiváděné do sušárny (kJ/hod.) ztráty tepla ze sušárny (kJ/hod.) vstupní teplota vzduchu (oC) teplota vzduchu na vstupu do sušárny (oC) teplota vzduchu na výstupu ze sušárny (oC) entalpie vstupního vzduchu (kJ/kg) entalpie vzduchu na vstupu do sušárny (kJ/kg) entalpie vzduchu na výstupu ze sušárny (kJ/kg) hmotnostní tok materiálu vstupující do sušárny (kg/hod.) hmotnostní tok materiálu vystupující ze sušárny (kg/hod.) odpad vlhkosti (kg/hod.) hmotnostní tok suchého vzduchu na vstupu do sušárny (kg/hod.) měrné teplo vlhkosti – pro vodu 4,18 kJ/kg.deg měrné teplo sušeného materiálu vztažené na sušinu (kJ/kg.deg)
Z materiálové bilance pro odpařenou vlhkost platí: m1 = m2 + W
(9.72)
Pro celkovou entalpickou bilanci kaloriferu se sušárnou potom platí vztah: G io + m1 cM tVST + W cW tVST + Q1 = G i2 + m2 cVYS tVYS + QZ (9.73) Poznámka: V případě např. pásových tunelových, lískových, komorových vozíkových aj. sušáren (viz. dále), u nichž je sušený materiál uložen na dopravním zařízení a kterým je dopravován celou sušárnou, je nutné připočítat do entalpické bilance teplo nutné pro ohřev tohoto zařízení. Tím se u těchto typů sušáren dále zvyšuje měrná spotřeba energie nezbytná pro sušení. 9.5.4. Teoretické řešení sušení pomocí stavového diagramu Východiskem pro teoretické řešení sušení je Mollier – Ramzinův diagram vlhkého vzduchu. Výřez z tohoto diagramu s příkladem užití je na níže uvedeném obrázku a v dále uvedeném textu.
231
ϕ2 t2 i1
i2 ϕ1
ϕ3
t3 t1
Xo = X1
X2
X
- chladný vzduch je přiváděn do kaloriferu sušárny s teplotou t1 , relativní vlhkostí ϕ1 s měrnou entalpií i1 , které odpovídá relativní hmotnostní zlomek vody ve vzduchu Xo (kg vody/kg suchého vzduchu). - v kaloriferu se sušící vzduch ohřeje na teplotu t2 , čímž se jeho enthalpie zvýší na hodnotu i2. Relativní hmostnostní zlomek vody ve vzduchu se ohřevem nezmění, takže Xo = X1 , ale relativní vlhkost vzduchu se sníží na hodnotu ϕ2 . - vlastní proces sušení je adiabatický – s okolím není vyměňováno teplo, což je vystiženo pohybem z průsečíku isotermy t2 s křivkou relativní vlhkosti ϕ2 po adiabatě i2. Proto se průchodem sušárnou měrná entalpie i2 sušícího vzduchu nemění. Vzduch se přitom sytí vodními parami až na relativní vlhkost ϕ3 . Spotřebou tepla na odpar vody klesá jeho teplota až na teplotu t3. Přitom stoupá relativní hmotnostní zlomek vody ve vzduchu až na hodnotu X2 , která odpovídá koncentraci vody v sušícím vzduchu na výstupu ze sušárny. Pokud to sušící kapacita vzduchu umožňuje, je možné vzduch během průchodu sušárnou ohřívat dalšími kalorifery nebo část vzduch z výstupu sušárny přes vstupní kalorifer recyrkulovat – po ohřátí jej vracet zpět do sušárny. Tím lze výkon sušárny při stejném pracovním prostoru a průtoku sušícího vzduchu zvýšit. Ve skutečné sušárně tepelné ztráty způsobují ochlazování sušícího vzduchu přiváděného z kaloriferu. Proto proces sušení není v tomto případě zcela adiabatický, pouze se mu blíží. Tím je sníženo množství tepla využitelné pro odpar vlhkosti, tj. sušení.
232
9.5.5. Základní konstrukční typy sušáren Dále jsou uvedeny náčrty nejběžnějších konstrukčních typů průmyslových sušáren: Rozprašovací sušárny Rozprašovací sušárny jsou používány pro konečné odvodnění a sušení jemně krystalických nebo práškovitých materiálů citlivých na přehřátí. Proto jsou užívány např. během výroby sušeného mléka aj. potravinářských produktů nebo léčiv. Výhodou je dokonalý kontakt nejprve kapek suspenze a po odpaření kapalné fáze sušených částic tuhého materiálu se sušícím vzduchem. Mají vysoký výkon, někdy až v desítkách tun sušeného materiálu za hodinu. Vždy vyžadují účinné odprašování sušícího vzduchu, zpravidla kombinací cyklonu a tkaninového filtru (viz. obr. 9.19.).
1
3 4
2
5
Obr. č. 9.19. Rozprašovací sušárna 1 – vstup suspenze sušené látky do atomizéru (rozstřikovací odtředivky), 2 – přívod sušícího vzduchu, 3 – přívod stlačeného vzduchu pro rozprašování suspenze, 4 – výstup sušícího vzduchu do odprašovacího zařízení, 5 – výstup sušeného materiálu.
233
Bubnové sušárny Základem rotačních bubnových sušáren jsou bubny vyrobené z ocelového plechu. Jsou opatřeny dvěma nebo více odvalovacími věnci uloženými na kladkách (rolnách). Závisle na výkonu se jejich průměr pohybuje zpravidla do 3 – 5 m a délka bývá 5 – 10-ti násobkem průměru. Poháněny jsou elektromotory přes převodovou skříň a ozubený věnec. Vnější strana sušících bubnů je tepelně isolována. Bubny jsou konstruovány s vestavbou nebo bez vestavby (pro materiály lepivé, inkrustující). Pokud je buben vybaven vestavbou, je rychlost a účinnost sušení vyšší, neboť kontakt sušeného materiálu se sušícím médiem je dokonalejší. Sušícím médiem jsou zpravidla spaliny fosilních paliv čisté nebo smíchané se vzduchem. Sušící bubny jsou používány pro sušení zrnitých materiálů s širším spektrem velikosti částic. Částice jsou ve vzájemném kontaktu, mohou se obrušovat, jejich velikost a tvar se může v průběhu sušení měnit. Tyto skutečnosti mohou být příznivé pro zisk materiálu určitých vlastností, např. při sušení surových granulátů průmyslových hnojiv. Přitom ale vzniká velké množství prachu, které ze sušícího bubnu unáší sušící médium do odprašovacích stanic s multicyklony a tkaninovými filtry nebo mokrými odlučovači. Sušící bubny nejsou vhodné pro sušení zrnitých materiálů tvořených drobivými, měkkými částicemi, které se snadno otěrem rozpadají. Rozpad materiálu také může způsobovat vlastní sušení, zejména probíhá-li příliš rychle, kdy z nitra částic uvolňující se vodní páry částice rozrušují! Výkony sušících bubnů se pohybují v desítkách až stovkách tun sušeného materiálu za hodinu. Používány jsou proto v průmyslu stavebních hmot, výrobě průmyslových hnojiv, keramických hmot, k sušení chmele, obilnin aj. materiálů.
2
4 3
1
8 7
6
6 5
Obr. č. 9.20
Bubnová souproudá sušárna 1 – vstup sušeného materiálu do sušárny 2 – vstup sušícího vzduchu (spalin), 3 – válcový sušící buben, 4 – odsávání sušícího vzduchu a prachu, 5 - výsyp suchého materiálu, 6 – věnce s rolnami, 7 – vstupní komora, 8 – výstupní komora
Válcové rotační bubny jsou používány nejen jako sušárny, ale rovněž jako žíhací nebo kalcinační pece, pece pro výpal cementářského slínku, spalovací pece odpadů, pece pro výpal vápence, keramických hmot, dále jako chladící bubny nebo granulační bubny. Pro vysokoteplotní procesy nemají vestavbu, jejich vnitřní strana je opatřena žáruvzdornou vyzdívkou.
234
Fluidní sušárny Základem fluidní sušárny je komora obdélníkového půdorysu vyrobená z ocelového plechu, v níž je umístěn rošt tvořený ocelovou žaluzií, perforovaným plechem nebo ocelovou sítovinou. Pod rošt je zaváděn sušící vzduch a zde zabudovanými rozváděcími klapkami je rozdělován rovnoměrně po celé jeho ploše. Vzhůru proudící sušící vzduch vytváří nad roštem ze sušeného materiálu fluidní vrstvu – fluidní lože, v němž jsou sušené částice udržovány ve vznosu. Sušené částice jsou nadnášeny proudícím sušícím vzduchem a jsou s ním v dokonalém kontaktu – směna tepla a odvod odpařené vody jsou velmi intenzivní. Fluidní sušárny jsou vhodné zejména pro sušení zrnitých materiálů s úzkým rozmezím velikosti částic. Pak je vytvoření fluidní vrstvy snadné, fluidní vrstva je stabilní a tím velmi účinná pro sušení. Sušený materiál musí být pevný a otěruvzdorný, neboť částice ve fluidní vrstvě se intenzivně pohybují a vzájemně do sebe narážejí. Příměs jemných částic vznikajících otěrem je unášena do odprašovací stanice tvořené cyklónovým odlučovačem a textilním filtrem (viz. obr. 9.19). 4 3 1
6 5 7
2 Obr. č. 9.21
Fluidní sušárna 1 – vstup sušeného materiálu do sušárny 2 – vstup sušícího média (vzduchu, spalin), 3 – komora fluidní sušárny, 4 – odsávání sušícího vzduchu a prachu, 5 výsyp suchého materiálu, 6 – rošt fluidního lože, 7 - rozváděcí žaluzie
Výhody fluidní techniky – intenzivní kontakt mezi tuhými částicemi a plynem urychlující konvektivní sdílení tepla a konvektivní difuzi – jsou využívány i k dalším účelům. Příkladem jsou fluidní kotle pro spalování uhlí, fluidní chladiče, fluidní reaktory pro heterogenně katalyzované chemické reakce, fluidní adsorbéry aj. zařízení. Proudové sušárny Proudové sušárny jsou tvořeny vertikální trubkou kruhového průřezu s vnější tepelnou izolací. Sušený materiál je dávkován do spodní části sušícího prostoru turniketovým podavačem do proudu horkého vzduchu. Veškerý materiál je unášen vzhůru proudem sušícího vzduchu. Během průchodu sušárnou je materiál vysušen, pak je zaveden do cyklónového odlučovače a textilního filtru, kde je oddělen z proudu sušícího vzduchu.
235
Proudové sušárny jsou vhodné pro sušení jemně krystalických a nelepivých materiálů netvořících aglomeráty. Proudové sušárny jsou zároveň s výhodou používány pro pneumatickou dopravu materiálu do vyšších podlaží výroben. Tím je efektivně spojena funkce sušárny s pneumatickou dopravou. 7
5
1
2
4
6
8
9
3
Obr. 9.22
Proudová sušárna 1 – vstup sušeného materiálu, 2 – proudová sušárna, 3 – přívod sušícího vzduchu, 4 – turniketový podavač, 5 – cyklónový odlučovač, 6 – textilní filtr, 7 - odsávání sušícího vzduchu, 8 – zásobník suchého materiálu, 9 - pásový dopravník vysušeného materiálu
Komorová sušárna skříňová a pásová Komorové sušárny jsou tvořeny kovovou skříní s vnější tepelnou izolací. Vyhřívány jsou elektrickými odporovými spirálami, infrazářiči, mikrovlnami, zemním plynem nebo proudem horkého vzduchu ohřátého v separátním zdroji. Materiál je uložen: - na lískách bez pohybu – tento systém je vhodný k sušení menších množství křehkých, snadno se rozpadajících materiálů nebo materiálů velmi jemných, které by se obtížně oddělovaly z proudu sušícího vzduchu. Sušárna pracuje diskontinuálně.
236
- na dopravním pásu nebo soustavě několika pásových dopravníků umístěných nad sebou. Materiál vstupuje do sušárny horem na první pás a postupně se přesypává na níže umístěné pásy až ke spodnímu výsypu. Sušárna pracuje kontinuálně. V prostoru sušárny je cirkulace sušícího vzduchu přirozená nebo nucená pomocí ventilátoru. 1
2
3
4
5 Obr. 9.23
Komorová pásová sušárna 1 – vstup sušeného materiálu, 2 – přívod sušícího vzduchu, 3 – ventilátor, 4 výstup sušícího vzduchu, 5 – výstup vysušeného materiálu
Do skupiny komorových sušáren lze zařadit laboratorní sušárny a všechna zařízení běžně užívaná v potravinářství a domácnostech, např. sušárny ovoce a zeleniny nebo horkovzdušné trouby. Principiálně shodné uspořádání mají také pečící trouby a pece. Vyhřívány jsou např. zemním plynem nebo elektrickým odporovým topením.
237
9.6.
Destilace a rektifikace
Destilací je obecně rozuměno odpaření kapalné fáze s oddělenou kondenzací vzniklých par. Roztok kapalin je uveden do varu, vznikající páry jsou odváděny ke kondenzaci. Kondenzací par z destilace jsou tak získávány roztoky odlišného složení, než je výchozí kapalná fáze. Parní fáze – destilát je vždy bohatší na těkavější složku. Při vhodných teplotních tlakových a koncentračních podmínkách v systému lze, až na výjimky, získat prakticky čisté složky z původního roztoku. Složení roztoku - kapalné fáze po destilaci, tj. destilačního zbytku a složení vznikající směsi par v plynné fázi - destilátu se liší. Výjimkou jsou látky tvořící azeotropické směsi (viz dále). Proto jsou destilace a rektifikace používány pro dělení roztoků dvou a více neomezeně mísitelných kapalin vzájemně se lišících bodem varu. Rozdíl v bodech varu musí být cca 10 o C, aby dělení bylo dostatečně účinné. Složky jsou vzájemně děleny dle svého bodu varu, nikoliv dle chemického složení. Jsou-li v roztoku např. dvě různé chemické sloučeniny se shodným bodem varu, nelze je destilací vzájemně oddělit!
9.6.1. Charakteristika soustav Při destilaci se setkáváme s různými typy soustav, jejichž charakteristika může být vystižena z různých hledisek: a) - podle počtu složek jsou rozlišovány soustavy: - dvousložkové, - vícesložkové b) - podle počtu kapalných fází jsou rozlišovány soustavy: - homogenní s jednou kapalnou fází a její parou, - heterogenní se dvěma kapalnými fázemi a jejich parami. c) - z fyzikálně chemického hlediska jsou definovány soustavy: - ideální – při směšování jejich složek se nemění jejich mezimolekulové přitažlivé síly, objem roztoku je aditivní vlastností parciálních objemů komponent, směšování složek není provázeno tepelným zabarvením, tenze páry nad soustavou je lineární funkcí molového složení kapalné fáze a řidí se Raoltovým zákonem. - reálné
- neazeotropní (zeotropní) - azeotropní – homogenní, - heterogenní
Raoltův zákon platí za předpokladu ideálního chování soustavy: PA xA = P yA pA = PA xA
(9.74) ,
(9.75)
238
kde P je celkový tlak nad soustavou, PA je parciální tlak (tenze) par složky A, yA molární složení plynné fáze, xA je molární složení kapalné fáze. Dle Daltonova zákona pro celkový tlak par soustavy o a-složkách platí: P = pA + pB + pC + … + pn
(9.76)
P = PA x A + PB x B + PC x C + … + Pn x n
(9.77)
Pro dvousložkovou soustavu potom pro kapalnou fázi platí: P = pA + pB = xA PA + (1 - xA) PB
(9.78)
Pro plynnou fázi o a složkách platí: P = pA + pB + pC + … + pn
(9.79)
P = P yA + P yB + P yC + … + P yn
(9.80)
Pro dvousložkovou soustavu v kapalné fázi platí: pA = P yA = (1 - yB ) P
(9.81)
pB = P yB = (1 - yA ) P
(9.82)
Rovnovážný poměr koncentrací v plynné (yA) a kapalné (xA) fázi pro složku A v ideální soustavě lze vyjádřit jako zlomek: yA PA kA = ---------- = ------------- , xA P
(9.83)
který má pro reálnou soustavu tvar:
kA
yA γA PA = ---------- = ------------xA P
,
(9.84)
kde γA je koeficient aktivity. Obdobný výraz platí pro složku B a další složky ve vícesložkové soustavě. Relativní těkavost αAB v soustavě složek A – B je podílem rovnovážných poměrů jednotlivých složek: kA αAB = -------------(9.85) kB
239
9.6.2. Rovnovážný isobarický fázový diagram dvousložkové neazeotropní soustavy Dvousložkové neazeotropní soustavy jsou vhodné pro získání obou čistých složek násobnou destilací nebo rektifikací, liší-li se bodem varu cca o 10 oC. 1 [P] yA t (oC) (tb.v.)B (g)
(l)
tAB
(tb.v.)A
0
1
A AB (g) AB (l) B Rovnovážný isobarický fázový diagram závislosti teploty na složení binární neazeotropní soustavy V diagramu fázové rovnováhy x – y osa xA udává molární zlomek složení kapalné fáze a osa yA udává molární zlomek složení plynné fáze vzhledem k látce A. V rovnovážném isobarickém fázovém diagramu závislosti teploty na složení binární soustavy bod A odpovídá čisté látce A, bod B čisté látce B. Úsečka AB udává molární složení soustavy. (tb.v.)A je teplota bodu varu čisté látky A, (tb.v.)B je teplota bodu varu čisté látky B. Křivka (l) odpovídá bodům varu roztoku, křivka (g) odpovídá teplotám kondenzace. tAB odpovídá teplotě bodu varu roztoku o složení kapalné fáze AB (l), se kterou je v rovnováze plynná fáze o složení AB (g). xA Diagram fázové rovnováhy x - y
9.6.3. Rovnovážné isobarické fázové diagramy dvousložkových azeotropních soustav Dvousložkové azeotropní soustavy s minimálním nebo maximálním bodem varu neumožňují zisk obou čistých fází. Násobnou destilací nebo rektifikací lze získat čistou pouze jednu z fází a příslušný azeotropický roztok. a) azeotropická soustava s maximálním bodem varu [P]
1 o
yA
t ( C)
c
(g) (tb.v.)B (l) (tb.v.)A 0
(l)
1
A C B xA Diagram fázové rovnováhy x – y Rovnovážný isobarický fázový diagram závislosti teploty na složení binární azeotropní soustavy s maximálním bodem varu tC
240
Bod C odpovídá složení azeotropické směsi s maximálním bodem varu tc . Při opakované destilaci nebo rektifikaci výchozích směsí, jejichž složení leží na úsečce AC, lze získat čistou látku A jako destilát a azeotropickou směs C jako destilační zbytek. Pokud složení výchozí směsi leží na úsečce BC, lze při opakované destilaci nebo rektifikaci získat čistou látku B jako destilát a azeotropickou směs C jako destilační zbytek. b) azeotropická soustava s minimálním bodem varu [P]
1 yA
t (oC) (tb.v.)B
(tb.v.)A
(g) (l)
(l)
tc 0
xA
Diagram fázové rovnováhy x – y
1
A
C
B
Rovnovážný isobarický fázový diagram závislosti teploty na složení binární azeotropní soustavy s minimálním bodem varu tC
Bod C odpovídá složení azeotropické směsi s minimálním bodem varu tc. Při opakované destilaci nebo rektifikaci výchozích směsí, jejichž složení leží na úsečce AC, lze získat čistou látku A jako destilační zbytek a azeotropickou směs C jako destilát. Pokud složení výchozí směsi leží na úsečce BC, lze při opakované destilaci nebo rektifikaci získat čistou látku B jako destilační zbytek a azeotropickou směs C jako destilát. Pokud je destilace realizována za sníženého tlaku, sníží se rovněž body varu čistých látek a jejich směsí. Rovnovážné křivky se posunou směrem dolů k nižším teplotám, jejich tvar se určitým způsobem změní. Při destilaci za zvýšeného tlaku platí opak, tvar křivek se rovněž změní.
241
8.6.4. Základní typy destilací: - rovnovážná destilace – do plynné fáze je odpařena pouze část výchozího roztoku, která je v rovnováze s destilačním zbytkem. Destilovaný roztok je jednorázově napuštěn do vařáku, odkud je ho postupně jen část odpařena. Za kondenzátorem par je jímána odpovídající část destilátu s určitou teplotou bodu varu. 4 5 2 1 6 3
7 Obr. č. 9.24
-
Schéma rovnovážné destilace 1 – přívod pro jednorázové napuštění roztoku do destilace, 2 – destilační nádoba s vařákem, 3 – parní otop vařáku, 4 – kondenzátor par, 5 – vodní chlazení kondenzátoru, 6 – odvod destilátu, 7 – odvod destilačního zbytku
rovnovážná kondenzace – část plynné fáze je v rovnováze s kondenzátem par – destilátem. Postup je opakem rovnovážné destilace. diferenciální destilace – páry jsou plynule odváděny a separátně kondenzovány, čímž je rovnováha trvale porušována. Destilovaný roztok je jednorázově napuštěn do vařáku, odkud je postupně odpařován. Za kondenzátorem par jsou postupně jímány do oddělených zásobníků jednotlivé frakce destilátu s určitou teplotou bodu varu. 4 2
5
1
3 6
7 Obr. č. 9.25 Schéma diferenciální destilace 1 – přívod suroviny pro jednorázové napuštění roztoku do destilace, 2 – destilační nádoba s vařákem, 3 – parní otop vařáku, 4 – kondenzátor par, 5 – vodní chlazení kondenzátoru, 6 – odvod a zásobníky destilátu, 7 – odvod destilačního zbytku
242
-
diferenciální kondenzace – páry jsou postupně kondenzovány a kondenzát je plynule odváděn. Postup je opakem diferenciální destilace.
-
frakční destilace – páry vznikající destilací, jejichž složení se postupně mění, jsou odváděny po určitých dávkách (v určitém rozmezí teplot bodu varu) a jsou kondenzovány, jsou tak získávány jednotlivé frakce. Destilovaný roztok je jednorázově napuštěn do vařáku, odkud je postupně odpařován. Za kondenzátorem par jsou postupně jímány do oddělených zásobníků jednotlivé frakce destilátu s určitým rozmezím teplot bodu varu. Aparaturní uspořádání je v principu shodné s diferenciální destilací.
-
frakční kondenzace – z kondenzujících par jsou zachycovány odděleně určité podíly kondenzátu, vznikajícího destilátu. Je opakem frakční destilace.
-
násobná destilace – vícenásobná opakovaná destilace - jejím cílem je co nejdokonalejší oddělení výchozích složek z původního roztoku nebo získání koncentrovaných velmi čistých složek.Proces je realizován v aparatuře shodné s obr. 9.24.
-
destilace s vodní parou – kapaliny nemísitelné s vodou lze přehánět vodní parou. Složkou s vyšším bodem varu, než je teplota destilovaného roztoku, je sycena vodní pára prostupující destilovanou kapalnou fází. Po kondenzaci všech par jsou získány dvě kapalné fáze – vodní a žádaná destilující složka. Nevýhodou bývá vysoká teplota a velká spotřeba energie Základním předpokladem je vzájemná nemísitelnost destilujících složek s vodou! Schéma aparatury je na obr. 9.26.
-
přehánění inertním plynem – je obdobou destilace s vodní parou. Výhodou je zisk destilující složky bez kontaktu s vodní fází, která může způsobit hydrolýzu nebo tepelný rozklad destilující složky. Schéma aparatury je na obr. 9.24. 6 4 1
5
2
8 9
3 10 Obr. č. 9.26
7 Schéma destilace s vodní parou (přehánění s inertním plynem) 1 – kontinuální přívod do destilace, 2 – destilační kolona, 3 – přívod páry (inertního plynu), 4 – kondenzátor par, 5 – vodní chlazení kondenzátoru, 6 – odvod inertu, 7 – odvod destilačního zbytku , 8 – dělící nádoba, 9 – odvod destilátu, 10 – odvod parního kondenzátu
243
-
rektifikace – opakovaná destilace – je zvláštním případem násobné destilace realizované v kolonách s patry nebo s výplní (viz. dále). S výhodou je používána pro dělení surové ropy a dalších organických látek.
2
6
1
5 4
3 7 Obr. č. 9.27
Schéma rektifikace 1 – kontinuální přívod destilovaného roztoku, 2 – rektifikační kolona, 3 – parní otop vařáku, 4 – odvod destilátu, 5 – zpětný tok destilátu (reflux), 6 - vodní chlazení kondenzátoru, 7 – odvod destilačního zbytku
Podle tlaku při procesu je rozlišována destilace: - atmosférická, - vakuová, - tlaková. V průmyslové praxi je s výhodou používána vakuová destilace. Snížením bodu varu roztoku složky destilují při nižší teplotě, je spořena energie, je menší riziko termického poškození látek a účinnost dělení složek bývá vyšší. Nevýhodou je konstrukčně složitější aparatura. Ta je investičně i provozně dražší, než jsou aparatury atmosférické. Největší uplatnění mají všechny uvedené destilační procesy v rafinérském a petrochemickém průmyslu. Tlaková destilace je používána výjimečně, pouze v případech dokonalejšího oddělení složek za zvýšeného tlaku. Reálné soustavy bývají zpravidla více než dvousložkové, V tomto případě je výhodné použití rektifikace v kolonách s patry. Horní část rektifikační kolony nad patrem nástřiku rektifikované směsi je vůči těkavější složce tzv. obohacovací (zesilovací) část kolony, směrem dolů je tzv. ochuzovací (zeslabovací) část kolony. Dle potřeby jsou z některých pater odváděny destilační frakce s určitým úzkým rozmezím bodu varu. Konstrukce rektifikačních kolon: 244
- kolony s výplní:
- raschigových kroužků, - berlových sedélek, - jiných tvarů
- kolony s vestavěnými patry: - přepadovými:
- bezpřepadovými:
9.7.
- kloboučková, - tunelová, - sítová, - se záklopnými uzávěry, - kaskádová - štěrbinová, - mřížová, - se speciálními otvory
Extrakce
Extrakcí je v širším slova smyslu rozuměna operace, při níž je složka přítomná v tuhé nebo kapalné fázi převáděna přes fázové rozhraní do jiné kapaliny (do jisté míry lze také chápat absorpci jako extrakci složky z plynné fáze do fáze kapalné). Přitom se při extrakci obecně uplatňují rozdílné chemické potenciály složek v jednotlivých fázích, tj. vlivy fyzikální (difůzní) a chemické. V užším slova smyslu a v praxi je extrakcí rozuměna především extrakce kapaliny kapalinou. Při extrakci je hlavně využíváno rozdílné rozpustnosti chemických sloučenin v různých vzájemně nemísitelných rozpouštědlech. Z technologického hlediska představuje proces extrakce dvě na sebe navazující operace: a) - vlastní extrakci – kontakt extrahované látky s rozpouštědlem (extrahovadlem) a její převod do rozpouštědla - extraktu, b) - separaci rozpuštěné složky vždy spojenou s regenerací rozpouštědla – extraktu - např. odpařením, destilací, vymrazením. Předpoklady použití a vysoké účinnosti extrakce: - velký rozdíl v rozpustnostech jednotlivých rozpuštěných složek v určitém systému rozpouštědel, selektivita rozpouštědel – schopnost rozpouštět přednostně jednu ze složek v systému, což je podmínkou pro vysoký rozdělovací koeficient:
kc
koncentrace extrahované složky C v extraktu yCB = ----------------------------------------------------------------------- = ----------koncentrace extrahované složky C ve výchozím rafinátu xCA
- minimální mísitelnost, co nejmenší vzájemná rozpustnost rozpouštědel, 245
- rozpouštědla a rozpuštěné složky spolu vzájemně chemicky nereagují (až na případ chemického loužení), mají minimální korozívní účinky, - nízká tenze par rozpouštědel, - nehořlavost rozpouštědel a nevýbušnost par ve směsi se vzduchem, - regenerovatelnost rozpouštědel, - minimální sklon ke tvorbě klků – tzv. třetí fáze na rozhraní fází dvou vzájemně nemísitelných rozpouštědel, - fyzikální vlastnosti rozpouštědel – nízká viskozita, těkavost, vysoké mezipovrchové napětí mezi fázemi a nízký bod tuhnutí, významně nižší hustota jednoho z rozpouštědel, - nejedovatost, - dostupnost na trhu a cena. V praxi je jen velmi obtížné splnění všech výše uvedených nároků na rozpouštědlový systém. Konkrétní řešení je vždy určitým kompromisem mezi hledisky technologickými, bezpečnostními a ekonomickými. Extrakce je velmi účinná pro získání rozpuštěných složek z velmi zředěných roztoků nebo látek s blízkým bodem varu, kdy je destilace či rektifikace nepoužitelná.
9.7.1. Rovnovážný diagram pro extrakci
C [T]
a c
b
II
1
3 I
R
E
2
A
B x1
Obr. č. 9.28
4
x2
Ternární isotermní rovnovážný diagram
Základem ternárního diagramu je rovnostranný trojúhelník. Každý z vrcholů představuje čistou látku A, B nebo C. Rovnoběžky se stranami trojúhelníku v jeho ploše tvoří síť vyjadřující koncentrace složek (např. čáry a, b, c). Strany trojúhelníka představují vždy složení binární – dvousložkové soustavy A-B, A-C, B-C. Vnitřní plocha trojúhelníku odpovídá složení ternárního systému látek A – B - C. Usancí je stanoveno, že látka A je původní rozpouštědlo - rafinát, v němž je rozpuštěna látka C. Látka B je druhé rozpouštědlo – extrahovadlo, do něhož se extrahuje látka C, přičemž vzniká roztok zvaný extrakt. 246
Křivka x1 – R – E – x2 (plná červená) vyjadřuje rovnovážné složení ternárního systému látek A, B a C. Oblast II vyjadřuje rovnováhu mezi pevnou látkou C a nasyceným roztokem 3. V oblasti I, na úsečce 3 – 4 se systém rozpadne na dvě kapalné fáze, které jsou vzájemně v rovnováze – rafinát R a extrakt E. Polohu bodů R a E na rovnovážné křivce určují úsečky zvané konody (čárkované červené). Bod x1 vyjadřuje rozpustnost látky B v látce A. Bod x2 vyjadřuje rozpustnost látky A v látce B (v ideálním případě se tyto body kryjí s vrcholy trojúhelníka A a B – pak je vzájemná rozpustnost obou rozpouštědel nulová). Příklad:
Látka C je rozpuštěna v rozpouštědle A, složení binární soustavy vystihuje bod 1. Je-li k výchozímu roztoku přidáváno druhé rozpouštědlo B, do něhož se má extrahovat látka C, pohybuje se složení systému po úsečce 1 – B. Dospěje-li složení systému např. do bodu 2, rozpadne se systém na dva nasycené roztoky rafinát R a extrakt E, které jsou spolu v rovnováze. Rovnovážné složení roztoků určují právě body R a E. Z uvedeného grafického vyjádření je patrné, že se část původně přítomné látky C se rozpustí v extrahovadle B za vzniku extraktu E a klesne jeho koncentrace v původním rozpouštědle, což odpovídá složení rafinátu A.
y
y1 y2 y3 y4
0
x4
x3
x2
x1
x0
x
Obr. č. 9.29 Grafické řešení násobné extrakce v rovnovážném diagramu X – Y při práci s čistým rozpouštědlem. Výchozí koncentrace rozpuštěné látky v rafinátu je x0. V prvním stupni extrakce se postupně snižuje až na hodnotu x1 a stoupá koncentrace extrahované látky v extraktu na hodnotu y1, kdy je dosaženo rovnováhy se souřadnicemi rovnovážné koncentrace x1a y1. Přídavkem čistého rozpouštědla s koncentrací rozpuštěné látky y = 0 do dalšího stupně extrakce se proces opakuje podle počtu extrakčních stupňů. Konečné koncentrace rozpuštěné látky v rafinátu a extraktu odpovídají bodům xa a yn. V případě použití rozpouštědla s obsahem extrahované látky y0 neleží body xi na ose x,, ale na rovnoběžce s touto osou ve vzdálenosti y0.
247
9.7.2. Způsoby provádění extrakce kapaliny kapalinou Extrakce kapaliny kapalinou je nejčastějším případem z možných typů extrakcí. Bývá uspořádána následujícími způsoby: a) – násobná extrakce,
R0
R3 E2
E1
E3
b) – protiproudá extrakce: - s jedním vtokem suroviny - s několika vtoky suroviny c) - protiproudá extrakce se zpětným tokem d) – extrakce dvěma rozpouštědly 9.7.3. Typy extraktorů a extrakčních kolon T L
L
1
Obr. 9.30
2
T
Schéma mixer-setleru 1 – rozmíchávací nádoba (mixer), 2 – usazovací nádoba (setler) L – lehká fáze, T – těžká fáze
Mixer-setlery jsou přednostně používány pro vícestupňovou extrakci. Uspořádány jsou v kaskádě bez nutnosti přečerpávání roztoků mezi jednotlivými nádobami. Extrakční kolony: Extrakční kolony jsou vždy protiproudé – lehká fáze (L) je nastřikována zdola, těžká fáze (T) shora zpravidla sprchovými rozstřikovači. Tím je zajištěn velký mezifázový povrch nezbytný pro intenzivní výměnu hmoty difúzí mezi fázemi. Používány jsou kolony (viz. obr. č. 9.31): •
bez výplně – sprchové kolony - celý prostor kolony je vyplněn rozpouštědlem s nižší hustotou (tzv. lehkou fází). Do ní je shora nastřikováno rozpouštědlo s vyšší hustotou (těžká fáze). U dna se sedimentací odděluje těžká fáze a pod víkem se odděluje lehká fáze. Obecně není rozhodující, která z fází je rafinát a která extrakt. 248
• • •
• • • •
s výplní (náplňové kolony) - větší část prostoru kolony je vyplněna náplní např. raschigových kroužků (podobně jako absorpční kolony). Přívod a odvod lehké a těžké fáze je realizován shodně jako u kolon bez výplně. patrové kolony - s plnými patry – vestavbu tvoří vodorovné plechové desky, které jsou rozmístěny střídavě v prostoru kolony. Vestavba prodlužuje dráhu kapek rozpouštědel a zvyšuje mezifázový povrch. s děrovanými patry – děrovaná patra jsou tvořena vaničkami umístěnými nad sebou. Ve vaničkách se shromažďuje těžká fáze, které zvolna protéká děrovaným dnem. Tím je rozptylována do objemu lehké fáze. Přebytek těžké fáze svádí z vaničky na nižší patro trubka přepadu. s kaskádovými patry – každé patro je tvořeno vaničkou s přepadem na níže uvedené patro. kolony s mícháním – s lopatkovými aj. míchadly – středem kolony prochází hřídel s několika míchadly nad sebou. Míchadla vzájemně rozmíchávají obě fáze mezi sebou. s rotujícími disky – základní konstrukce je shodná s výše uvedeným typem kolon. Jen lopatková míchadla jsou nahrazena vodorovnými talířovými disky. kolony pulsační a vibrační – lehká a těžká fáze jsou vzájemně promíchávány pulsy vyvozenými pístem nebo membránou s mechanickým pohonem. L T
L T Obr. č. 9.31
Obecné schéma kolonového extraktoru L – nástřik a odvod lehké fáze, T – nástřik a odvod těžké fáze
9.7.4. Průmyslové použití extraktorů Extrakce je používána pro oddělování rozpuštěných látek ze zředěných roztoků nebo při jejich recyklaci, dále při čištění produktů a jejich koncentraci. Přednostně jsou extrakční postupy uplatněny především v petrochemickém průmyslu, dále při výrobě léčiv a kosmetických přípravků, v menší míře i v průmyslu potravinářském.
249
Kontrolní otázky 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Co je základní podmínkou vzniku difuse? Jaké typy difuse jsou rozeznávány? Vyjmenujte základní difusní procesy, které jsou vratné? Načrtněte a popište rovnovážné diagramy vybraných difusních procesů! Za jakých podmínek jsou realizovány destilace, absorpce, krystalizace, extrakce, adsorpce, jak je ovlivňuje teplota, tlak a chemické složení systému? Popište a vysvětlete mechanismus sušení kulové částice! Jaké základní typy aparátů jsou požívány pro realizaci difusních procesů? Co je rozuměno prouděním souproudým, protiproudým nebo křížovým, kde je využíváno a jaké má přednosti? Jaká je hlavní funkce výplní v aparátech pro sdílení hmoty? K jakým základním účelům je využíváno difusních procesů v průmyslové praxi?
250
10.
Základy systémů řízení technologických procesů
10.1.
Základní pojmy, základní prvky obvodů měření a řízení
Sebedokonalejší výrobní postupy a zařízení jsou v průmyslové praxi nepoužitelná, pokud je nelze bezpečně a spolehlivě řídit v předem stanovených optimálních mezích technologických parametrů. Úroveň řízení rozhoduje o minimalizaci: • • • • •
výkyvů nebo poruch technologického režimu, spotřeby surovin, energií a pomocných látek, potřeby lidské práce přímo ve výrobním procesu, emisí odpadních látek všech skupenství, mechanických poruch na strojním zařízení,
Kvalita řízení technologických procesů určuje vyrovnanost kvality výrobků v čase. V souhrnu zásadně ovlivňuje ekonomiku každé výroby – výrobní náklady a zisk. Všechny průmyslové výrobní postupy vyžadují dodržení předem stanovených optimálních technologických podmínek v úzkém rozmezí. To vyžaduje spolehlivé a přesné měření základních fyzikálních, fyzikálně-chemických a chemických parametrů všech procesů. K tomu účelu jsou systematicky vyvíjena měřící čidla - snímače, kterými jsou pokud možno nepřetržitě – kontinuálně – snímány příslušné parametry výrobních procesů (teploty, tlaky, dávkování a průtoky tekutin, dávkování a hmotnostní průtoky tuhých látek, hustoty tekutin, koncentrace vybraných složek, pH, elektrické vodivosti, výše hladin kapalin nebo tuhých látek v zásobnících nebo reaktorech apod.). Důležitým parametrem silně mechanicky namáhaných strojů je proudové (ampérické) zatížení elektromotorů jejich pohonů. Často je nutné, aby bylo možné sledovat naměřené hodnoty přímo v místě měření, na konkrétním technologickém zařízení. Signály měřících čidel je nutné získat v podobě normalizovaných proudových impulsů (0 – 20 mA) nebo napěťových impulsů (0 – 500 mV), které jsou nejlépe elektronicky zpracovatelné. Proto jsou čidla s jiným než elektrickým výstupem opatřena převodníky. Převodníky pneu-elektrické převádějí prvotní signál čidla z normalizovaného pneumatického signálu 0,02 - 0,1 MPa na signál elektrický nebo převodníky opticko-elektrické ve spojení s fotobuňkou nebo fototranzistory převádějí signál optický na signál elektrický. Signál od měřících čidel je přenášen do centrálních velínů nízkonapěťovými kabely, zpravidla stíněnými, aby v nich nedocházelo k indukci nežádoucích rušivých potenciálů a proudů. Měřící technika – zajišťuje nepřetržité automatické snímání, třídění a registraci údajů nutných pro řízení. V moderních výrobních procesech jsou signály snímačů sváděny do centrálních velínů na operátorská pracoviště. Zde jsou změřené hodnoty signalizovány na ústředních panelech přístrojů měření a řízení (MaŘ) nebo monitorech řídících počítačů. Parametry, které jsou nejdůležitější pro řízení procesů a bezpečné provozování nákladných technologických zařízení (tlakových zařízení – kotlů, vysokotlakých kompresorů a reaktorů, parních, vodních nebo plynových turbín, alternátorů, transformátorů aj.), jsou snímány dvěma i více čidly.
251
Jejich signály se vzájemně porovnávají a regulátor pracuje se střední hodnotou měřené veličiny. Je-li rozdíl mezi změřenými hodnotami jednotlivých čidel mimo stanovené rozmezí, jsou poruchy čidel samostatně opticky, akusticky i písemně signalizovány obsluhám řídících velínů. Stejným způsobem jsou signalizovány odchylky od stanoveného režimu. V případě překročení předem stanovených kritických mezí je technologické zařízení – blok několika výrobních operací - automaticky vyřazen z provozu. Tím jsou minimalizována rizika provozních poruch, nehod a havárií. Získané elektrické signály jsou pak zpracovávány regulačními nebo řídícími jednotkami – automatickými regulátory nebo řídícími počítači umístěnými v centrálních velínech. Automatické regulátory udržují určité fyzikální, fyzikálně-chemické nebo chemické veličiny na předem stanovených (nastavených) hodnotách, případně mění veličiny se podle předem stanoveného programu (např, postupný vzrůst teploty a její prodlevy na určité hodnotě v peci pro výpal keramiky). Regulátor sleduje okamžitou hodnotu regulované veličiny a porovnává ji s nastavenou hodnotou. V případě zjištění odchylky uvádí do činnosti regulační orgán (armaturu, spínač aj,), jehož přestavením se odchylka odstraní. Přímé (direktní) regulátory pracují bez pomocné energie, nepřímé regulátory potřebují dodávku pomocné energie – regulátory elektrické elektřinu, regulátory pneumatické tlakový vzduch a regulátory hydraulické tlakový olej. V principu jsou rozlišovány regulátory proporcionální (P), integrační (I) a derivační (D) včetně jejich kombinací. Výstupem regulátorů - řídících jednotek - jsou opět elektrické výstupní regulační signály, které jsou vedeny k akčním členům regulačních obvodů. Akčními členy – regulačními orgány řídících obvodů jsou rozuměny servomotory ve spojení s regulačními ventily, kohouty, klapkami, dávkovacími čerpadly nebo vahami, spínače nebo přepínače apod., případně pneumatické pohony - písty, vlnovce nebo membrány ovládající např. ventily. Mimořádný význam má teorie automatické regulace, která se zabývá systémy se zpětnou vazbou. Zpětná vazba zajišťuje průběžné porovnávání odezvy řízeného systému na regulační zásah vůči zadaným vstupním - požadovaným parametrům. Ve výrobních prostorech s nebezpečím požáru nebo výbuchu jsou s výhodou používána měřící čidla, akční členy a někdy i regulátory pneumatické. V případě poruch a zkratů na elektroinstalaci je tak minimalizováno riziko vzniku požáru nebo výbuchu. 10.2 Metody měření fyzikálních a fyzikálně-chemických veličin a) měření: b) měření:
- absolutních hodnot – teplot, tlaků, průtoků aj. veličin, - relativních hodnot (diferenční měření) – tlakových diferencí, rozdílů hladin, teplot, el. potenciálů aj. veličin. - místní – měřící čidla jsou umístěna v měřících jímkách nebo sondách přímo na strojně-technologickém zařízení. Hodnota měřené veličiny je odečítána na stupnici měřícího přístroje v témže místě. - dálkové – výstupní signál z měřící sondy je přenášen elektricky, pneumaticky nebo opticky do centrálního velínu.
c) měření základních veličin:
252
10.2.1. Teplota (T - Temperature) - teploměry: -
-
-
-
teploměry využívající objemové roztažnosti tekutin - rtuťové a lihové teploměry jsou používány pro místní, kontrolní nebo kalibrační měření, Plynové – pneumatické teploměry jsou používány pro dálkové měření a regulaci teploty. teploměry dilatační využívající délkové roztažnosti kovů – bimetalické teploměry jsou využívány ve spojení s rezistory k místnímu a dálkovému měření i regulaci teploty v rozsahu do cca 1000 oC. teploměry optické – pyrometry jsou používány pro bezkontaktní měření vysokých teplot (stovek až tisíců oC) v hutnických, sklářských, keramických nebo cementářských pecích. Jejich výstupní elektrický signál je využitelný pro dálkové měření a regulaci teplot. teploměry odporové jsou využívány pro místní a dálkové měření i regulaci teplot v rozsahu teplot do cca 1000 oC. termočlánky jsou používány pro místní a dálkové měření i regulaci teplot v rozsahu do cca 1500 oC.
10.2.2. Tlak (P – Pressure) - tlakoměry: -
-
-
hydrostatické - kapalinové (U-trubice) plněné vodou nebo rtutí jsou používány pro měření přetlaku nebo podtlaku v rozsahu několika desítek až stovek mm vodního nebo rtuťového sloupce pro potřeby místního měření především na potrubích a zařízeních vzduchotechniky, vývěvách nebo kondenzátorech. mechanické membránové nebo vlnovcové tlakoměry jsou používány pro měření podtlaku a hlavně přetlaku v rozsahu až tisíců MPa. Ve spojení s mechanickým přenosem výchylky na stupnice ukazovacích přístrojů a tenzometrická čidla nebo rezistory s elektrickým výstupem jsou využívány jak pro místní tak dálková měření a regulaci. elektrické tenzometrické tlakoměry jsou využívány pro snímání tlaku tekutin v potrubích, aparátech nebo skladovacích nádržích nebo tlakové síly na miskových, pásových, silničních, kolejových nebo bunkrových vahách, případně v dávkovačích tuhých látek (pásových a šnekových). Výstupní elektrický signál je využitelný pro místní a dálkové měření i regulaci . Tento systém měření je velmi citlivý a přesný v rozsahu jednotek až milionů Pa!
10.2.3. Hladina (L – Level) - stavoznaky: -
-
průzory - na zásobních nádržích nebo technologickém zařízení jsou použitelné výhradně pro místní měření hladiny a bilancování zásob. mechanické plovákové stavoznaky – jsou tvořeny dutým kovovým nebo plastovým plovákem s vodící dráhou. Plovák je lankem přes kladku (-y) spojen s ukazatelem polohy na stupnici vně nádrže. Používány přednostně pro místní měření hladiny a bilancování zásob. Přenos polohy plováku na rezistor je mechanicky komplikovanější, zejména u vyšších nádrží, proto se příliš nepoužívá pro dálkové měření ani regulaci. Jsou použitelné na nádržích o výšce kolem 10 m i více. pneumatické stavoznaky - probublávací sondy jsou tvořeny tenkou trubkou o průměru cca 5 mm zasunutou víkem ke dnu nádrže. Trubkou zvolna probublává vzduch – tlakový spád nutný k probublávání vzduchu je měřen diferenčním manometrem. Tlaková diference je úměrná výšce hladiny kapaliny v nádrži. Po vyhodnocení je využita ke stanovení výšky hladiny. Pneumatické stavoznaky jsou užívány pro místní i dálkové měření a regulaci
253
-
-
-
hladiny ve spojení s pneumatickými vysílači tlaku. Jsou vhodné na nádrže kapalin o výšce do 10 m. ultrazvukové stavoznaky – principem měření je vyhodnocení času nutného od vyslání ultrazvukového impulsu z vysílače pod víkem nádrže do jeho registrace přijímačem po odrazu od hladiny kapaliny v nádrži nebo povrchu tuhé látky v silu. Čas odezvy je nepřímo úměrný výšce hladiny. Ultrazvukové stavoznaky jsou používány pro měření hladiny kapalin v nádržích i sypkých látek v silech o výšce až několika desítek metrů. Výhodou je bezkontaktní měření se ziskem elektrického signálu vhodného pro místní i dálkové měření hladiny, bilancování spotřeb a zásob nebo regulaci hladiny. radiometrické stavoznaky - využívají prostupu γ-záření stěnami a prostorem zásobních nádrží nebo technologických aparátů. V průřezu, kde se nachází tuhý nebo kapalný materiál, je intenzita procházejícího záření snížena jeho absorpcí. Změny intenzity γzáření jsou indikovány GM-trubicí a převáděny na elektrický signál. Radiometrické stavoznaky se používají přednostně pro signalizaci min. a max. hladiny. Ve spojení s pojezdem zdroje záření a indikační sondy jsou požívány také ke kontinuálnímu měření hladiny - pojezd vyhledá hladinu dle polohy min. a max. intenzity záření a tím stanoví její hodnotu. Jsou vhodné pro dálkové měření, bilancování zásob a spotřeb nebo regulaci hladin. Výhodou je umístění vně nádob, zejména u nádob tlakových. radarové stavoznaky - umožňují bezkontaktní měření hladiny pomocí odrazu vysokofrekvenčního elektromagnetického záření od povrchu kapaliny nebo sypké látky v zásobnících i značně rozměrných užívaných např. v petrochemii. Zdroj záření a přijímač jsou umístěny pod víkem nádrže nebo sila o výšce až několika desítek metrů. Výstupní elektrický signál je využitelný pro místní nebo dálkové měření výšky hladiny, bilancování a regulaci.
10.2.4. Průtok (F - Flow) - průtokoměry: -
rotametry (plováková měřidla) – plovák (1) umístěný ve skleněné vertikální kónické trubce (2) směrem nahoru se rozšiřující je udržován v určité výšce protékající tekutinou. Jeho poloha je měřena vizuelně odečítáním výšky plováku na přiložené stupnici (3) nebo je poloha kovového plováku, tvořícího jádro cívky, která je vně trubky, snímána elektromagneticky pomocí změn impedance ve vinutí. Změny impedance jsou transformovány na normalizovaný elektrický signál. Výsledek měření objemového průtoku tekutin je využitelný pro bilancování spotřeby nebo regulaci průtoku.
1
2 3
-
clony, dýzy, Venturiho trubice – objemový průtok je stanovován měřením tlakové diference v zúženém profilu (1) potrubí s proudícími tekutinami pomocí U-trubice (2) naplněné vodou nebo rtutí, případně pomocí mechanického diferenčního tlakoměru. Při měření průtoku je využíváno změny tlaku při změně rychlosti proudění tekutin v zúženém 254
profilu a mimo něj. Velikost tlakové diference roste s průtokem tekutin. Používány jsou pro měření objemového průtoku, bilancování spotřeb a regulaci průtoku. Clona
Dýza 1
2
Venturiho trubice 1
1
2
2
-
turniketové průtokoměry – náleží do skupiny mechanických objemových měřidel pro měření průtoku tekutin. Proud tekutiny roztáčí kolo s lopatkami turniketu. Počet otáček turniketu je úměrný objemu protékající tekutiny. Otáčky turniketu jsou mechanicky přenášeny na počítadlo objemového průtoku. Nejčastější je jejich použití jako plynoměrů, ale také měřidel objemového průtoku kapalných paliv.
-
turbinové a vrtulové průtokoměry – náleží rovněž do skupiny mechanických objemových měřidel. V ose potrubí v proudu kapalin je tří či čtyřlistá vrtulka nebo turbinka s rotorem s více listy (1). Její otáčky jsou přenášeny hřídelkami s převodem (2) na počítadlo objemového průtoku. Velmi časté je jejich použití jako vodoměrů, průtokoměrů čistých technologických kapalin nebo kapalných paliv prostých tuhých nečistot. Používány jsou pro měření objemového průtoku a bilancování spotřeb kapalin.
1
2 -
ultrazvukové průtokoměry – k měření průtoku využívají měření rychlosti šíření a odrazu ultrazvuku v pohybujícím se prostředí s využitím Doplerova efektu. Změna frekvence ultrazvukových vln je úměrná změně rychlosti proudění. Tyto změny jsou vyhodnocovány elektronicky. Výstupní signál je použitelný jak pro měření objemového průtoku tak jeho regulaci.
-
indukční průtokoměry – jsou vhodné pro měření průtoku disociujících kapalin a roztoků. Pohybující se ionty indukují na snímacích elektrodách (1) elektrické impulsy, které jsou jako napěťový signál přenášeny do řídící jednotky, kde jsou zesíleny a dále zpracovány. Indukované napětí je úměrné rychlosti proudění – objemovému průtoku
255
kapalin. Indukční průtokoměry jsou používány pro měření průtoku, dávkování a bilancování kapalin.
1
V technické praxi jsou používány i jiné druhy průtokoměrů pracující na podobných principech (např. Pitotova trubice) nebo zcela odlišných principech (např. s využitím Koriolisovy síly). Aby byla zaručena přesnost a reprodukovatelnost měření průtoku tekutin, musí být proudění v místě měření ustálené. Obecně je doporučeno instalovat průtokoměry na rovný úsek potrubí o délce min. pěti průměrů před a za měřidlem! 10.2.5. Hmotnost (W – Weight) -
-
-
-
pásové váhy – hmotnost je stanovována buď mechanickým vážením cca 1-3 m úseku pásového dopravníku (konstrukce s válečkovými stolicemi, válečky a odpovídající částí dopravního pásu) nebo snímáním tlakové síly tenzometrem na jednu nebo dvě stolice s válečky pásového dopravníku. Hmotnost dopravovaného materiálu je vyhodnocována elektronicky dle rychlosti pohybu pásového dopravníku indikované tachodynamem a hmotnosti váženého úseku nebo tlakové síly dle údaje tenzometru. Na moderních vahách jsou běžná tenzometrická čidla – tlaková síla přenášená na piezoelektrický krystal vyvolává vznik elektrického napětí, které je úměrné tlakové síle. Pásové váhy jsou používány pro účely bilancování pohybu hmot ve výrobě a řízení výrobních procesů. mostové váhy - jsou principiálně podobné vahám pásovým mechanickým (starší typy) nebo tenzometrickým. Pouze délka váženého mostu je 5 – 20 m, aby bylo možné vážit celý dopravní prostředek, Jen u vah určených ke stanovení nápravového tlaku vozidel je jejich délka cca 0,5 m. Na mostovou váhu najíždějí motorová vozidla s návěsy a přívěsy nebo železniční vagóny. Dle konstrukce váhy musí buď zastavit nebo pomalu projíždět, aby bylo dosaženo požadované přesnosti vážení. Mostové váhy jsou používány pro bilancování příjmu surovin, expedice výrobků, kontroly vytížení motorových vozidel apod. dávkovače sypkých hmot – v průmyslové praxi jsou pro přesné kontinuální dávkování sypkých hmot používány dávkovače pásové nebo šnekové v principu podobné pásovým vahám ve spojení s podavači materiálu. Dle rychlosti pohybu dopravníku o délce 1 – 5 m a hmotnosti váženého úseku nebo hmotnostní síly snímané tenzometrem je elektronicky vyhodnocováno množství dávkovaného materiálu. Jsou také používány objemové dávkovače sypkých hmot i kapalin za předpokladu, že se nemění sypná váha nebo hustota dávkovaného materiálu. Dávkovače jsou používány pro dávkování surovin, polotovarů nebo pomocných látek do výrobních procesů, výrobků do expedičních obalů (nákladních aut, lodí nebo vagónů, bigbagů, kontejnerů, pytlů, sáčků, sudů, krabic apod.). podavače – jsou používány podavače turniketové, šnekové, vibrační, talířové, propelerové aj. konstrukcí. Slouží pro odběr sypkých hmot ze sil, bunkrů nebo zásobníků či méně přesné dávkování sypkých hmot do silně mechanicky namáhaných zařízení – drtičů, mlýnů, třídičů, sušáren, chladičů aj. zařízení. Ve spojení s měřením ampérického zatížení 256
elektromotorů pohonů uvedených zařízení je omezováním dávkování materiálu chrání před přetížením a mechanickým poškozením. V případě potřeby mohou blokovat chod výrobní linek. 10.2.6. Hustota (D - Density) – hustoměry: -
-
-
plovákové hustoměry – do kapaliny je ponořen skleněný nebo kovový plovák zkonstruovaný a vyvážený na předem vypočítané rozmezí hustot. Dle hloubky jeho ponoru je měřena hustota kapaliny odečítáním na stupnici. Poloha plováku je odečítána vizuálně nebo je snímána elektromagneticky pomocí ocelového jadérka zasunutého dle hustoty různě hluboko v cívce, jíž prochází elektřina. Jsou vyhodnocovány změny impedance cívky. pneumatické hustoměry – do kapaliny jsou ponořeny dvě trubky do různé hloubky. Do trubek je zaváděno malé množství vzduchu tak, aby pomalu probublával oběma trubkami do kapaliny. Rozdíl tlaků vzduchu mezi trubkami je měřen diferenciálním manometrem. Při daném rozdílu výšky kapaliny mezi ústími trubek je za konstantní hustoty tlaková diference konstantní, s růstem hustoty kapaliny se tlaková diference zvyšuje, s poklesem hustoty kapaliny se tlaková diference snižuje. Změna tlakové diference je úměrná změně změně hustoty kapaliny. Diferenční tlak je převáděn na normalizovaný pneumatický signál nebo pneu-elektrickým převodníkem je získán signál elektrický použitelný pro měření a regulaci hustoty. radiometrické hustoměry – pracují na principu změn absorpce γ-záření v prostředí různé hustoty. Změny intenzity procházejícího záření jsou úměrné změnám hustoty měřené kapaliny. Vyhodnocovány jsou pomocí GM-trubice ve spojení počítačem impulsů. Výstupní elektrický signál je využíván ke stanovení hustoty a její regulaci.
10.2.7. Elektrické veličiny (E – Electricity) -
-
-
-
el. proud – ampérmetry jsou využívány pro měření ampérického zatížení elektromotorů pohonů nejvíce namáhaných strojů (elektrolyzérů, elektrotermických pecí, drtičů, mlýnů, kompresorů, ventilátorů, rotačních pecí, sušících a chladících bubnů, odstředivek, jeřábů, bagrů aj.). Při překročení nastaveného maxima jsou nadproudovými ochranami a jističi příslušná zařízení vypnuta a tím chráněna před mechanickým poškozením, spálením elektromotorů, poškozením napájecích vodičů a transformátorů. Ampérické zatížení je rovněž hrubým údajem o momentálním výkonu zařízení. el. napětí – voltmetry jsou používány např. pro kontrolu napětí v rozvodné síti, na elektrodách elektrolyzérů, elektrostatických odlučovačů aj zařízení. Údaje voltmetrů jsou v tomto případě využitelné pro vyhodnocování stavu elektrod i kontrolu procesů. el. vodivost – konduktometry jsou používány pro měření vodivosti vypouštěných vod z čistíren odpadních vod, oteplených vod, parních kondenzátů a napájecích vod, roztoků kyselin, hydroxidů nebo solí. Elektrická vodivost je úměrná koncentraci rozpuštěných látek. Výkyvy vodivosti signalizují změny technologického režimu nebo jeho poruchy, případně signalizují netěsnosti na aparatuře apod. Výsledky jsou využitelné pro regulaci a řízení procesů. el. příkon nebo spotřeba elektřiny – wattmetry jsou používány pro měření příkonu nebo spotřeby elektrické energie. Důležité jsou především pro bilanční účely.
10.2.8. Kvalitativní veličiny (Q - Quality)
257
-
-
-
koncentrace látek – je uváděna ve hmot. % nebo objemových %. Koncentrace a chemické složení je měřeno pomocí automatických analyzátorů, do jejichž měřících cel jsou kontinuálně nebo semikontinuálně přiváděny vzorky tekutin nebo tuhých látek. Výstupní signál je používán pro regulaci nebo řízení procesů. Běžně jsou používány automatické analyzátory pro monitorování emisí znečišťujících látek v odpadních plynech nebo imisního znečištění atmosféry na základě odlišné absorpce záření určité vlnové délky. pH - pH-metry je potenciometricky měřena koncentrace vodíkových iontů ve vodných roztocích. Údaj je důležitý pro řízení procesů úpravy vody, čištění odpadních vod, neutralizační procesy ve výrobě nebo čištění odpadních plynů. Vlhkost – vlhkoměry je měřena vlhkost vzduchu a plynů nebo tuhých látek. K tomu účelu je využíváno několik fyzikálních principů, např. měření teplot suchého a vlhkého teploměru, měření změn dielektrických vlastností, vodivosti látek aj. Údaje o vlhkosti jsou důležité např. pro řízení procesů sušení nebo vlhčení plynů, tuhých látek, skladování aj. účely.
10.3.
Základy teorie řízení
Každý proces řízení je vázán na sběr dat – shromáždění informací, jejich třídění, zpracování a vyhodnocení. Dalším krokem řešení problému řízení každé soustavy je stanovení nezávisle a závisle proměnných. Základní metodou zpracovávání informací je jejich algoritmizace - nalezení matematického popisu jevů, jejich dynamiky a vzájemných závislostí. Chování systému je v konečné fázi řešení popsáno soustavou diferenciálních rovnic. Jejich společným řešením je získán popis chování řízeného systému. Matematickým modelováním je pak zkoumáno chování řízeného systému. Jsou stanoveny jeho základní charakteristiky v požadovaných i mezních situacích, které mohou v extrémních případech nastat. Zkoumáním odchylek hodnot vypočítaných a experimentálně zjištěných je matematický model zpřesněn a optimalizován. Vždy je problémem rozhodnutí, do jakých podrobností je ještě nutné a účelné při sestavování matematických modelů zacházet, aniž by byla negativně ovlivněna přesnost, rychlost a spolehlivost řízení konkrétních procesů. Důležité je stanovení intenzity vazeb systémů na okolí. Tyto vazby zásadně ovlivňují požadavky na množství i kvalitu vstupních informací a zejména náročnost matematického modelu. V prvním přiblížení jsou uvažovány systémy absolutně uzavřené a isolované, bez jakýchkoliv vazeb na okolí – bez výměny hmoty, energie a informací s okolím – systémy inerciální (nezávislé). V relativně uzavřených systémech jsou vazby s okolím realizovány vstupními a výstupními informacemi. Nejnáročnější je matematické řešení otevřených systémů – systémů neinerciálních závislých na okolí - okolím více či méně ovlivňovaných. Každý obvod automatického řízení je členěn na: -
řízený systém - je vybaven snímači (měřícími přístroji) a akčními členy (regulačními armaturami, servopohony, elektroventily apod.), řídící systém – regulátor nebo soustavu regulátorů se soustavou vstupů informací z řízeného systému a informací zadávaných uživatelem, 258
-
zpětnovazební obvod – zajišťuje zpětnou kontrolu o kvalitě provedeného regulačního zásahu. Regulátor porovnáním vstupních hodnot X (t) a výstupních hodnot Y (t) stanovuje novou hodnotu akční proměnné U (t) . Přitom jsou brány v úvahu i vnější poruchy působící na řízený systém – viz dále uvedené schéma.
Systém je např. popsán proměnnými závislými na čase (t): -
vstupní proměnné: výstupní proměnné: poruchové proměnné: akční proměnné: pozorovací proměnné:
X (t) Y (t) Z (t) U (t) R (t)
= = = = =
x1 (t), x2 (t), . . . . . . . . . . xa (t) y1 (t), y2 (t), . . . . . . . . . . ya (t) z1 (t), z2 (t), . . . . . . . . . . za (t) u1 (t), u2 (t), . . . . . . . . . . ua (t) r1 (t), r2 (t), . . . . . . . . . . ra (t)
Ze soustavy proměnných je sestavena soustava diferenciálních rovnic. Jejich společným řešením je hledán co nejpřiléhavější model chování systému ve všech předpokládaných situacích. Teorie automatického řízení byla rozpracována hlavně v oblasti idealizovaných linearizovaných soustav – popis řízených soustav je transformován do systému lineárních rovnic vybraných závislostí v určitých předem stanovených mezích. Touto problematikou se v současnosti zabývá samostatná matematická disciplína – teoretická kybernetika. Při zpracování vstupních signálů jsou naměřené a nastavené hodnoty vzájemně porovnávány, často se statistickým vyhodnocením výsledků. Obecně je snaha co nejlépe popsat chování systému v užším pásmu předem stanovených parametrů, často pouze v okolí tzv. pracovního bodu – parametru nebo souhrnu parametrů, kde je předpokládána regulace systému po největší dobu jeho činnosti. Dosažení pracovního bodu je řízeno spouštěcími – najížděcími programy nebo je v jednoduchých případech řízeno manuálně obsluhou velínu, Podobně je řešeno odstavení zařízení z provozu plánované nebo nouzové v kritických situacích. V principu lze naznačit automatický řídící systém s uzavřenou zpětnou vazbou následujícím schématem: Cíl řízení J(X,U,t)
Poruchy Z(t)
Regulátor X(t)
regulátor ¨
Napájení
Systém
U(t)
Y (t)
R (t) Zpětná vazba
hranice systému
X(t) je nezávisle proměnná, Y(t) je závisle proměnná, U(t) je řídící signál, R(t) je zpětnovazební signál.
259
Složitost exaktního matematického popisu otevřeného systému je značná. Proto se úlohy optimalizace řízení tohoto typu řeší sestavením modelu reálného systému a porovnává se odchylka ε (t) v chování modelového systému od chování reálného systému, jak naznačuje dále uvedené schéma: Z (t) Y (t) Reálný systém ε (t) = Y(t) – Ym(t)
X(t)
Model Ym (t) V matematickém popisu modelového a reálného systému se potom řešení zjednoduší na popis reálného systému v okolí pracovního bodu Vyhodnocením výstupních informací, např. odchylky ε (t), lze působit na: -
systém dodatečně s využitím zpětné vazby, změnu parametrů nebo změnu struktury modelu,
V praxi lze použít obě metody samostatně nebo je kombinovat. Podle způsobu zpracování informace jsou potom rozlišovány: -
pevné struktury nastavující parametry podle výsledku jejich zpracování, proměnné adaptivní struktury.
Podle počtu sledovaných souřadnic jsou rozlišovány regulační systémy: a) - jednorozměrné – příkladem je regulace konstantní hladiny h v nádrži s přítokem qvs a odtokem qvýs: qvst qvs h h qvýs
snímač p
nádrž
qvýs
páková zpětná vazba
Regulace konstantní hladiny pomocí plovákového stavoznaku s pákovým přenosem jeho polohy na šoupě regulace přítoku kapaliny funguje následovně:
260
-
změnou otevření výtoku se změní výtok z nádrže a výška hladiny v nádrži, vyvolaná změna hladiny je změnou polohy plováku přenášena pákovým převodem (snímačem polohy) na šoupě ovládající přítok do nádrže, při zvýšení hladiny je přítok do nádrže zavírán a při snížení hladiny je přítok otevírán.
b) - vícerozměrné - příkladem je regulace provozu turbogenerátoru: přívod páry
Už
nž
RO
RN
ns
Uvýst generátor
Parní turbína
tachodynamo
budič
generátor
odvod admisní páry Regulace turbosoustrojí je realizována následujícím způsobem: - rotor parní turbíny je roztáčen expanzí páry v turbíně, - skutečné otáčky turbíny ns jsou snímány tachodynamem, jehož signál je vstupem regulátoru otáček RO, - signál tachodynama je v RO porovnáván s žádanými otáčkami nž turbíny, které rozhodují o frekvenci elektrického proudu generovaného v generátoru, - výstupním signálem RO je ovládán ventil přívodu páry do turbíny, - napětí elektřiny na výstupu z generátoru Us je v regulátoru napětí RN porovnáváno s hodnotou požadovaného napětí Už, - výstupním signálem RN je řízen budič napětí – dynamo napájející vinutí rotoru generátoru stejnosměrným proudem, čímž je řízena intenzita elektromagnetické indukce ve statoru generátoru. Blokové schéma dříve uvedeného vícerozměrného systému je uvedeno níže:
nž
ns RO
Už
Us RN
10.4.
Přechodové charakteristiky
Při skokové změně vstupního parametru u je odezva soustavy yi (Yi) závislá na typu soustavy: 261
-
soustava astatická (integračního typu) s dynamikou prvního řádu je např jedna napouštěná bezodtoková nádrž - křivka Y1 v níže uvedeném grafu soustavy astatické (integračního typu) s dynamikou druhého a vyšších řádů jsou např, sestavy dvou a více napouštěných bezodtokových nádrží - křivky Y2 a Y3 dynamická soustava s dynamikou prvního až čtvrtého řádu (soustavy prvního a vyššího řádu) – jsou jimi např nádrže s odtokem - soustavou třetího řádu jsou např, tři vzájemně propojené nádrže s odtokem , viz křivky y1 – y4 u, y, Y u y1
y2
y3
y4
Y1
Y2
Y3
t (sec) Příklady přechodových charakteristik soustav prvního a vyšších řádů při skokové změně vstupního parametru u v závislosti na čase t.
10.5.
Základní struktura řídícího obvodu
Z dříve uvedených informací je patrné, že existuje obecná struktura řídícího obvodu, kterou vystihuje následující schéma: 1 g(t)
2
3
4
5
6
7
ε(t)
objekt u(t)
x(t)
8
10
9
1 – snímač vstupní veličiny – převádí vstupní veličinu g(t) na řídící signál srovnatelný se signálem zpětné vazby 2 - srovnávací člen, který vytváří z rozdílu mezi vstupním signálem a signálem hlavní zpětné vazby chybový signál ε (t) 3 - zesilovač chybového signálu
262
4 - korekční člen zajišťující požadované dynamické vlastnosti regulátoru 5 - pomocný srovnávací člen zpracovávající dílčí zpětnou vazbu 6 - zesilovač výkonového členu (s převodníkem) 7 - akční člen 8 - korekční člen dílčí zpětné vazby, zajišťuje rovněž úpravu signálu zpětné vazby 9 - snímač výstupní veličiny 10 – zpětnovazební obvod s úpravou signálu hlavní zpětné vazby Blok 6-7-8
tvoří místní zpětnou vazbu
Blok 2-3-4-5-(6-7-8)-objekt-9-10
tvoří hlavní zpětnou vazbu
Blok 2 – objekt
tvoří tzv. dopřednou větev regulačního obvodu
Obvody 8 a 9-10
jsou větvemi zpětné vazby
10.6.
Obecný popis číslicově řízené soustavy
V kapitole 10.4. je popsána struktura jediného regulačního obvodu. V průmyslových výrobnách je běžně několik desítek až několik stovek regulačních obvodů závisle na složitosti výrobní technologie, počtu výrobních operací, požadavků na růst provozní spolehlivosti a výrobního fondu, bezpečnost a spolehlivost provozu. Růst nároků na zpřesněné řízení technologických procesů obecně vedl ke zvyšování počtu sledovaných veličin, znásobení počtu snímačů. Jejich vizuální kontrola a manuální korekce parametrů obsluhou řídícího velínu se stala od určité úrovně řízení nezvládnutelná. Proto byly v prvním kroku nasazeny na velkých výrobních blocích (elektráren, tepláren, provozů chemického průmyslu, cementáren aj.) měřící ústředny vybavené počítači. Tím byl řešen problém kumulace a zpracování většího počtu signálů ze snímačů v centrálním velínu vybaveném počítači se zobrazením naměřených hodnot na monitorech. Zároveň musel být vyřešen problém přechodu na normalizované výhradně elektrické vstupní signály instalací převodníků. Přehledným uspořádáním snímačů do bloků s uvedením žádané a skutečné hodnoty každého měřeného parametru včetně signalizace poruchových stavů byl zvládnut růst počtu vstupních signálů s odpovídajícím vyhodnocením počítači i obsluhou (operátorem). V dalším podstatně obtížnějším kroku bylo řešeno počítačové řízení procesů na základě jejich detailního matematického modelování. Rostoucí kvalitou hardware a software byla významně zvýšena úroveň řízení celých technologických procesů, nejen jednotlivých výrobních operací. Jádrem řídícího systému se staly centrální jednotky s procesory. Jejich hlavním znakem je modulové – stavebnicové uspořádání. To umožňuje návrh sestavy řídícího počítače vyhovující individuálním požadavkům konkrétních výrobních technologií a nárokům uživatelů. Pro konstrukci a montáž řídícího systému je důležité přesné stanovení rozhraní mezi řídícím systémem a řízenou soustavou osazenou snímači a akčními členy. Zpravidla je tímto rozhraním hlavní svorkovnice řídícího systému. Výhodou zavedení počítačového řízení bylo především: -
podstatné zvýšení rychlosti zpracování vstupních signálů, zkrácení rychlosti reakce řídícího systému na výchylky a poruchové stavy,
263
- zvýšení četnosti řídících zásahů do systému, - zmenšení počtu a velikosti odchylek od optimálního technologického režimu, - programové provázání řízení většího počtu operací, - potlačení negativního vlivu lidského faktoru na řízení systému s objektivizací řízení. Blokové schéma počítačově řízené soustavy: spojovací soustava
standardní periferie
výstupní informace vnější paměť
CJ
OOP ČV
AV
vstupní informace
A Vs
Č Vs hlavní
Akční svorkovnice členy
Řízený technologický
Soustava čidel
ČVs – číslicové vstupy – soustava číslicových vstupů, která přivádí do centrální jednotky informace o číslicově měřených a binárních proměnných (polohy zavřeno–otevřeno, zapnuto– vypnuto apod.). Avs – analogové vstupy – soustava analogových vstupů zajišťující dodávku informací o analogově měřených veličinách, které jsou spojitě proměnné. Většina měřených veličin v technologických procesech je analogová (teplota, tlak, průtok, vlhkost, koncentrace, napětí, proud, poloha, hladina aj.). Soustava analogových vstupů a analogově-číslicové převodníky proto náleží k nejdůležitějším a realizačně nejobtížnějším modulům řídících systémů. Převod analogových signálů na číslicové je spojen s určitým rizikem nepřesností a vzniku časového zpoždění. Technicko-technologická úroveň řešení tohoto uzlu často rozhoduje o kvalitě celého řídícího systému. CJ – centrální jednotka – počítač nebo soustava počítačů, které zpracovávají vstupní informace a výpočtem stanovují příslušný regulační zásah do řízeného technologického procesu. OOP – obslužné operátorské panely (pracoviště) vybavené klávesnicí, ovládacími tlačítky, vypínači aj prvky umožňujícími komunikaci operátora s CJ řídícího systému. ČV – číslicové výstupy – soustava číslicových výstupů, která předává výsledky výpočtů realizovaných CJ v binární, číslicové nebo impulsní formě akčním členům, Tato soustava realizuje činnosti, které jinak zabezpečují tzv. sekvenční automaty.
264
AV – analogové výstupy – soustava analogových výstupů zajišťuje převod výsledků výpočtů provedených CJ z číslicové na analogovou formu a přenos analogových signálů k analogovým akčním členům. Standardní periferie - zahrnují monitory a tiskárny pro kontrolu řízení technologie a archivaci technologických parametrů. Spojovací soustava - zajišťuje přenos informací o technologickém procesu do nadřazených nebo podřízených řídících systémů, zajišťuje komunikaci a přenos informací ke vzdáleným procesorům, např, na podnikový výrobní dispečink. Vnější paměť - rozšiřuje uživatelské možnosti řídícího systému a umožňuje nezávislou archivaci dat nezbytnou pro překlenutí poruchových stavů a zvládnutí extrémních situací, jež mohou za provozu nastat. Do vnější paměti jsou ukládána data, která nejsou potřebná pro běžný provoz a funkce CJ. 10.7.
Způsoby označování obvodů měření a regulace
Pro označení měřených veličin ve schématech a výkresech obvodů měření a regulace je používáno mezinárodně standardizované symboliky využívající písmen vycházející z angličtiny (v kapitole 10.2. byla uvedena v závorkách). Stejná symbolika je zavedena ČSN vycházející ze standardů ISO. Pro projektanty a výrobce měřící a řídící techniky je závazná. První písmeno označuje měřenou nebo regulovanou veličinu (dle druhého sloupce), druhé písmeno upřesňuje měřenou nebo regulovanou veličinu (dle třetího sloupce), třetí a další písmena uvádí funkci obvodu MaŘ (dle čtvrtého sloupce připojené tabulky): Písmeno Měřená (regulovaná) veličina Upřesnění Funkce obvodu _____________________________________________________________________ A signalizace B C D hustota rozdíl E elektrické veličiny F Průtok (objemový, hmotnostní) poměr G rozměr, poloha H ruční ovládání I ukazování, indikace J přepínání K čas, program L hladina M vlhkost (absolutní, relativní) N rezervní písmeno O rezervní písmeno P tlak, podtlak Q vlastnost, kvalita, dávkování R radioaktivita zapisování, registrace S rychlost, frekvence spínání T
teplota
U V
vstup několika měřených veličin viskozita
převodník
265
W X Y Z
hmotnost ostatní parametry rezervní písmeno havarijní činnost
blokování
V projektech je rovněž předepsáno normou číselné označování obvodů soustavy MaR ve vzestupné řadě po směru toku materiálu nebo ve skupinách po jednotlivých technologických operacích. Způsob číslování musí být v popisu dokumentace. Příklad způsobu označování obvodů schémat automatizace:
Měřená (regulovaná) veličina
T - teplota
Funkce obvodu
Upřesnění signalizace H
TRCA 123
R – zapisovaná (registrace) C – automatická regulace A – signalizace horní meze
H – ruční ovládání
Sled písmenového značení Spojovací vedení k dalšímu obvodu a směr působení Číslo obvodu soustavy MaŘ Místo odběru signálu
266
Kontrolní otázky Na jakých principech je založeno měření např. teploty, tlaku, hladiny, průtoku a hmotnosti? 2. Uveďte základní prvky regulačního obvodu! 3. Co je to zpětná vazba a jaká je její funkce? 4. Co to je normalizovaný signál, v jaké fyzikální podobě je získáván a přenášen? 5. Lze normalizované signály transformovat z jednoho na druhý typ, uveďte příklad! 6. Uveďte příklady značení regulačních obvodů! 7. V čem spočívají výhody automatického řízení procesů před řízením manuálním? 8. V čem je přínos počítačového řízení technologických procesů před řízením analogovým? 9. Jak ovlivní automatizované systémy řízení kvalitu produkce, množství emisí a ztrát? 10. Jak ovlivní automatizované systémy řízení bezpečnost a hygienu práce? 1.
267
11.
Úprava vody
Úpravou vody je obecně rozuměn souhrn technologických procesů zajišťujících takovou změnu kvalitativních parametrů vody, která zajistí žádané fyzikální, chemické a biologické vlastnosti definované příslušnými ČSN nebo technologickými reglementy dle účelu užití upravené vody. Ze surové vody získávané z přírodních nebo uměle vytvořených zdrojů jsou odstraňovány nežádoucí složky nebo jsou snižovány jejich koncentrace. Přídavkem jiných látek je zabezpečováno dosažení žádaných kvalitativních parametrů upravené vody dle užití. Úpravnami vody jsou zajišťovány dodávky vody pro potřeby: • obyvatelstva, zdravotnictví a služeb (pitná voda), • průmyslu (pitná, technologická a užitková voda), • zemědělství (pitná voda, voda pro závlahy, chov hospodářských zvířat aj.), • ostatní účely (např. požární vodovody). 11.1
Zdroje vod
11.1.1. Povrchové vody Povrchové vody reprezentují z pohledu množství v ČR, ale i jinde ve světě hlavní zdroj vody pro zásobování celé uživatelské sféry. Z povrchových zdrojů je v ČR zásobováno cca 80 % všech odběratelů vody. Zdrojem povrchových vod jsou atmosférické srážky. Kvalita povrchové vody je závislá na: • imisním zatížení příslušné zdrojové oblasti (pH dešťové vody, obsah sloučenin síry a dusíku, obsah tuhých znečišťujících látek, VOC aj.), • půdě a horninovém prostředí (obsah organických látek, mikrobiologické znečištění, obsah rozpuštěných a nerozpuštěných anorganických sloučenin), • vegetačním krytu, • přítomných zdrojích znečištění povrchových vod (např. sídla, průmyslové a zemědělské podniky). S výhodou je pro potřeby úpravy jímána voda z horních toků řek, kde je významně nižší znečištění vody z antropogenních zdrojů. Povrchová voda se ve srovnání s vodou podzemní (viz dále) vyznačuje: • vyšší průměrnou teplotou a s jejím kolísáním cca o 25 oC v průběhu roku, • vyšším obsahem rozpuštěného kyslíku, • výrazně vyšší koncentrací organických látek, • vyšším mikrobiologickým znečištěním, • menší koncentrací rozpuštěných anorganických látek (nízká mineralizace), • menší koncentrací oxidu uhličitého, • vyšším obsahem jílovitých látek koloidního charakteru (zejména v deštivých obdobích), • nízkou koncentrací hydrolyzujících kovů, hlavně železa, manganu, hliníku.
268
Obecně platí, že voda pocházející z rašelinišť obsahuje větší množství organických humínových látek. Proto bývá lehce zakalena a mívá nádech až do hnědočerné barvy způsobený mikroskopickými zbytky vegetace rašelinišť. Naopak voda pocházející z ledovců nebo tajícího sněhu je křišťálově čistá a čirá bez organického znečištění. Její výhody pro úpravu např. na vodu pitnou jsou nesporné. Voda ze středních a dolních toků řek bývá více či méně znečištěna organickými látkami pocházejícími z komunální sféry, zemědělství nebo průmyslu, případně látkami splavenými do vodních toků vodní erozí. Obrazem znečištění vod organickými látkami je úroveň: BSK5 - biochemická spotřeba kyslíku mg.l-1 vody za 5 dní ve tmě při 20 oC nutná na rozklad přítomných organických látek. CHSK – chemická spotřeba kyslíku mg.l-1 vody nezbytná pro oxidaci přítomných organických látek účinkem buď KMnO4 (CHSKMn) nebo K2Cr2O7 (CHSKCr). TSK – teoretická spotřeba kyslíku v mg.l-1 vody, která je nutná k úplné oxidaci všech přítomných oxidovatelných látek v soustavě. Zdroje povrchových vod jsou na základě rostoucí potřeb rozšiřovány např.: • výstavbou vodárenských nádrží na horních tocích řek, • výstavbou údolních nádrží na středních a dolních tocích řek (spojených se splavňováním vodních toků a využitím jejich hydroenergetického potenciálu), • převáděním vod z oblastí s relativně velkým potenciálem povrchových vodních zdrojů do oblastí s nedostatečným množstvím vodních zdrojů, • umělým posilováním infiltrace povrchových vod do vod podzemních. Umělou infiltrací je rozuměno záměrné převádění povrchových vod do vod podzemních. Cílem je posílení zdrojů podzemní vody a zlepšení kvality infiltrované vody filtračními pochody v půdě a horninovém prostředí oproti vodě povrchové. Kvalita infiltrované vody se pak může blížit svým složením kvalitě vody pitné. Voda přiváděná do zón přímé umělé infiltrace je kontrolována jak z hlediska objemu, tak kvality. Voda se vsakuje do podloží z otevřených vsakovacích nádrží, drenáží, zavlažovacích kanálů nebo vrtů. Jímací objekty musí být vzdáleny min. 100 i 200 m od míst infiltrace – záleží na množství a charakteru znečišťujících látek. V ČR je tento systém uplatněn v dolním Pojizeří v oblasti Sojovic. V jímacích objektech vodárenských nádrží je odebírána povrchová voda z hloubky min. 3 - 5 metrů od hladiny a dna. S čerpanou vodou nesmí být nasávány nečistoty z hladiny a řasy zdržující se při hladině nebo kaly usazené na dně. 11.1.2. Podzemní vody Podzemní vody jsou jímány ze zvodnělého podloží – nejlépe z písků a štěrkopísků, ale nejsou vyloučeny ani jiné sedimentární horniny, např. opuky, vápence, pískovce aj. Voda je čerpána ponornými odstředivými čerpadly nebo klasickými pístovými pumpami z mělkých studní s hloubkou obvykle od několika metrů až do cca 50 m. Z artézských studní je v některých případech čerpána odstředivými čerpadly, ale většinou vytéká pod tlakem sama. Jejich hloubka bývá i několik set metrů.
269
Zdrojem zásob podzemních vod jsou atmosférické srážky v posledních obdobích, ale jejich vznik může být datován např. až do poslední doby ledové. Kvalita podzemní vody je závislá na: - půdě, - horninovém prostředí. Kvalitu podzemních vod zásadně nesmí ohrožovat antropogenní činnost – průsak znečišťujících látek např. ze zemědělsky využívaných pozemků, dopravních komunikací, průmyslu a sídel.. K tomu účelu jsou v okolí zdrojů podzemních vod vyhlašována dle směrnice MZ ČSR č. 51 Ochranná pásma vodních zdrojů. Ta musí zajistit účinnou a spolehlivou ochranu vodních zdrojů využívaných pro zásobování obyvatelstva pitnou vodou. Podzemní voda se vyznačuje: • průměrnou teplotou v rozmezí cca 5 - 15 oC v průběhu roku, • nízkým obsahem rozpuštěného kyslíku, • nízkou koncentrací organických látek, • minimálním mikrobiologickým znečištěním, • vyšší koncentrací rozpuštěných anorganických látek ( minerální vody obsahují nad 1,0 g.l-1 rozpuštěných solí), • vyšší koncentrací oxidu uhličitého, • proměnnou koncentrací hydrolyzujících kovů, hlavně železa, manganu, hliníku. Tvrdost podzemní vody je proti povrchové vodě zpravidla vyšší. To je důsledkem vyššího obsahu rozpuštěných anorganických látek. Tvrdost vody32 je určena obsahem iontů kovů s vyšším oxidačním číslem než 1 (např. kationtů hořčíku a vápníku, železa, stroncia, baria). Trvalá tvrdost je způsobena hlavně síranovými a chloridovými aniony. Přechodná tvrdost je způsobena aniontem hydrogenuhličitanovým. Přechodnou tvrdost lze odstranit zahřátím vody nad teplotu 40 oC, nejlépe převařením. Přitom proběhne reakce: Ca(HCO3)2 ↔ CaCO3 + H2O + CO2
(10.1)
Přechodnou tvrdost lze rovněž odstranit přídavkem vápenného mléka: Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 ↔ 2 CaCO3 + 2 H2O
(10.2)
Jakost podzemní vody je určována rovnovážnými vztahy a kinetikou procesů: • absorpce a desorpce zejména oxidu uhličitého a kyslíku, • adsorpce iontů v půdě a horninách, • difúze iontů, • chemických reakcí: - oxidačně redukčních (za účasti rozpuštěného kyslíku), - srážecích, - substitučních, - neutralizačních. Obecně platí, že kvalita podzemních vod je pro úpravu na vodu pitnou lepší. Vlastní úprava podzemní vody je technologicky a ekonomicky schůdnější než u vody povrchové. V řadě lokalit ČR podzemní voda kvalitou odpovídá vodě pitné a je možné ji přímo odebírat ke spotřebě ze studní bez úpravy. V tomto smyslu je využívána v malých obcích a v odlehlých lokalitách. Tvrdost vody je vyjadřována látkovým množstvím (v milimolech) na litr. Pro vyjádření tvrdosti vody bývaly dříve užívány různé jednotky, např. 1o německý odpovídal obsahu 1 mg CaO na 100 ml nebo 0,72 mg MgO na 100 ml vody. 32
270
Potrubní sítě
11.2
Voda je dopravována k odběratelům potrubím. Systémy potrubí zpravidla tvoří rozsáhlejší sítě i se zdvojenými okruhy, které umožňují dodávky vody hlavním odběratelům v případě poruch na jednotlivých potrubních řadech. Soustava zásobování vodu (vodárenská soustava) je tvořena: • • • •
zdroji vod s jímacími objekty, úpravnami vod s čerpacími stanicemi, zařízeními pro akumulaci vod (vodojemy), vodovodními potrubími s větvemi přívodními a větvemi zásobovacími.
Má-li potrubní síť zajistit plynulé zásobování odběratelů vodou, musí být dimenzována tak, aby doporučená rychlost proudění v kovových potrubích byla v = 1,0 , max. 1,5 m . s-1. V plastových potrubích může dosahovat max.. rychlosti proudění 3,0 m . s-1 (viz ČSN 73 6665). Tím jsou zajištěny optimální tlakové ztráty v rozvodech. Průměr potrubí lze vypočítat dle vztahu: 4 . Qv d = ( ----------- )1/2 (11.3.) Π.v Objemový průtok pitné nebo teplé užitkové vody Qv lze vypočítat např. pro obytnou budovu dle vztahu: m
Qv = [ Σ ( qi . ni ) ]1/2
,
(11.4.)
i=1
kde qi je jmenovitý výtok jednotlivými druhy armatur umístěnými v objektu na vodovodním potrubí, ni je počet stejných armatur a m je počet výtokových armatur stejného druhu. Potrubní sítě vod musí být schopny zajistit dodávky vody i při nerovnoměrnosti její spotřeby. Tohoto pohledu je rozeznáváno kolísání potřeby: • hodinové, • denní, • měsíční, • roční (nejvyšší odběry vody jsou v letním období). Z pohledu produkce a akumulace upravených vod jsou nejvýznamnější maximální hodinové potřeby vody Qh(max) , na které musí být dimenzovány potrubní řady k odběratelům. Značné výkyvy v odběru vody během dne jsou dány: • pracovní dobou, • životním režimem obyvatelstva, • ostatními aktivitami v dané lokalitě. Nerovnoměrnosti odběru vody jsou korigovány při výpočtu maximální kapacity Qh(max) rozvodných řadů užíváním koeficientů denní a koeficientů hodinové nerovnoměrnosti. U malých obcí do 1.000 obyvatel je kapacita řadu zvyšována o 50%, u sídel s 20.000 - 100.000 obyvateli o 25 %.
271
Pokrytí nerovnoměrností v odběru je zajišťováno vodojemy s provozní zásobou vody pro krytí běžného odběru i poruchových zásob, které činí 1/3 Qh(max) . Objem vodojemů je doporučován ČSN 73 6630 na úrovni 60 - 100 % maximální denní spotřeby. Pak je dostatečná zásoba vody i pro požární účely. V potrubních sítích dochází ke ztrátám upravené vody netěsnostmi. Velikost ztrát činí průměrně 20 % celkové denní spotřeby. Ztráty je nutné započítat do kapacity potrubních sítí a vodojemů. 11.3.
Technologie úpravy pitné vody
Úprava pitné vody má několik základních technologických operací. Mezi ně náleží především: • úprava pH, • srážení, • čiření, • aerace spojená s oxidací, • sorpce a iontovýměnné reakce, • sedimentace a filtrace, • desinfekce. Podle povahy znečišťujících látek a možností jejich účinného odstranění jsou používány metody úpravy vody na principu: • mechanickém: – sedimentace, - flotace, - filtrace. Cílem použití těchto metod je odstranění tuhých nerozpustných suspendovaných látek. • chemickém: - srážení (vločkování), - neutralizace, - oxidace. Metody jsou používány pro odstranění rozpuštěných a koloidních látek. Nežádoucí složky jsou chemickými reakcemi přeměněny na sloučeniny neutrální, zpravidla omezeně rozpustné ve vodě. Následně jsou z vody odděleny mechanickými postupy. • fyzikálně-chemickém: - adsorpce, - výměny iontů. Nežádoucí látky jsou zachycovány metodami fyzikální adsorpce, chemisorpce nebo s využitím iontovýměnných reakcí. • biologickém: - biologické úprava spočívá v aktivním využití mikroorganismů v úpravárenském procesu spojenou s odbouráváním – mineralizací původně přítomných organických látek až na oxid uhličitý a vodu za aerobních podmínek. Významnou roli při volbě úpravárenského postupu hrají také důvody ekonomické!
272
Druh znečištění
Technologický
Humínové NH4+ NO2- NO3- PO43- pesticidy tenzidy ropné fenoly chlór.
postup
látky
Intenzivní aerace
x
x
x
x
x
Koagulační filtrace
xxx
x
x
x
xx xx
Dvoustupňové čiření xxx
x
x
x
xxx
x
xxx
x
x
uhlí zrnitém
xx
xx5/
x
Oxidace
xx
x6/
Desinfekce
x
Výměna iontů
xx7/
látky x
x xx 2/
xx
Anorgan. radioakt.
ligniny deriváty látky x
xx
látky
x
xx
x xx
bakterie viry,spory
1/
x
xx
x
x
xx
xx
xx
xx
xx4/
x
xxx3/
xxx
x
x
x
x
x
x
x
x
x
x
xxx
xxx
xxx
xxx
xxx
xxx
xx
xx
xxx
x
x
xx
xx
xx
xx
x
x
x
xxx
xx
xx
x
x
x
x
x
x
x
x
x
xxx
xx
xx
xxx
x
x
x
x
x
x
xx
xx
x
xx
Sorpce na preparov. píscích
x
Sorpce na aktiv.
Vysvětlivky: x - postup méně vhodný až nevhodný. 1/ Platí jen pro radon.
xx - vhodný postup.
xxx - velmi vhodný a účinný postup.
2/ Může být účinná kombinace čiření a sorpce na aktivním uhlí. 3/ V alkalické oblasti. 4/ Po oxidaci ve slabě alkalické oblasti. 5/ Po chloraci. 6/ Oxidace chlorem nebo KMnO4. 7/ Měnič iontů zastává funkci sorbentu.
273
5 2 1
3 8
4
2
5
9
6 10
7 11
12
13
14 16
14 17
15 Obr. 11.1:
Schéma úpravny povrchové vody 1 - zdroj vody, 2 - dávkování CaO, 3, 4 - dávkování koagulantu, 5 - zásobník písku, 6 - dávkování chlóru, 7 - dávkování ozónu, 8 - neutralizátor, 9 - čiřič, 10 - pískový filtr, 11 - desinfekce, 12 - vodojem, 13 - odběr upravené vody, 14 odvod kalů a odpadního písku, 15 - Kalové hospodářství, 16 - prací vzduch, 17 - prací voda
11.4
Technologické procesy úpravy povrchové vody
Z praktických důvodů bude hlavni pozornost zaměřena na úpravu vody povrchové na vodu pitnou. Hlavním důvodem je strojně - technologická náročnost úpravny tohoto typu. 11.4.1
Mechanické předčištění vody před úpravnou
V jímacích objektech vodárenských nádrží je povrchová voda odebírána z hloubky 3 – 5 m pod hladinou a minimálně 3 m nade dnem. Důvodem pro toto uspořádání je předejít nasávání: • plovoucích nečistot z hladiny, • vodních rostlin rostoucích při hladině, • kalů sedimentujících na dně. Při odběru vody z povrchových toků nelze většinou tato kritéria dodržet. Přesto je snaha umísťovat jímací objekty např. nad jezy, kde je alespoň větší hloubka toku. Na vstupu vody do sacího řadu z jímacího objektu je nasávaná voda předčištěna česly od nejhrubších nečistot. Ta zároveň brání nasávání vodních živočichů do potrubí. Šíře průlin na česlech – vzdálenost mezi tyčemi nebo žebry je 5 – 10 mm. 11.4.2
Úprava pH
Povrchová voda odebíraná z vodárenských nádrží, zejména na horních tocích řek, vykazuje pH nižší než 7,0. Zejména voda pocházející z rašelinišť nebo oblastí se silnou depozicí kyselých srážek má hodnotu pH běžně kolem 6,0- 6,5 . Z těchto důvodů je nutná úprava pH povrchových vod přídavkem vápenného mléka – suspenze Ca(OH)2 . Kromě úpravy pH je dosaženo snížení tvrdosti vody především srážením uhličitanů (10.2), síranů a fosforečnanů: 275
Ca2+ + SO42- → CaSO4
(11.3)
3 Ca2+ + 2 PO43- → Ca3 (PO4)2
(11.4)
Uvedeným postupem je upravována vápenato – uhličitanová rovnováha v upravované vodě. Omezeně rozpustné sloučeniny jsou později odloučeny z upravované vody filtrací. 11.4.3
Úprava vody čiřením
Čiření – koagulace – je fyzikálně chemickým procesem umožňujícím odstranění koloidních látek z upravované vody. Cílem koagulace je vytvoření vloček kalu z přítomných organických a anorganických sloučenin obsažených v koloidní disperzi. Vločky musí vytvořit sedimentující nebo dobře filtrovatelný kal. Koagulace – shlukování koloidních částic je dosaženo přídavkem železitých nebo hlinitých solí, zpravidla síranů nebo chloridů. Uvedené soli ve vodě hydrolyzují za tvorby příslušných hydroxidů: Fe3+ + 3 H2O → Fe (OH)3 + 3 H+
(11.5)
Al3+ + 3 H2O → Al (OH)3 + 3 H+
(11.6)
Na povrchu málo rozpustných hydroxidů dochází k adsorpci kladně i záporně nabitých iontů včetně koloidních částic,např. křemičitanů nebo hlinitokřemičitanů – jílovitých látek se záporným nábojem. Vytvořené vločky jsou z vody odstraňovány: • filtrací – průchodem vločkovým mrakem v čiřičích, • sedimentací v usazovácích, • filtrací na pískových filtrech. Separace vloček je buď jednostupňová – průchodem vločkovým mrakem čiřiče, což je použitelné pro kvalitní zdroje vod s nízkým obsahem znečišťujících látek. Dvoustupňová separace je realizována většinou kombinací čiřiče a pískového filtru pro úpravu vody z méně kvalitních zdrojů. Dávka koagulantu je v tomto případě v desítkách mg . l-1. Voda v čiřičích proudí zdola nahoru. Vločky kalu zůstávají v prostoru čiřiče a jsou odtahovány stranou. Všechny čiřiče mají v zásadě čtyři funkční prostory: • koagulační s tvorbou vloček, • filtrační s vločkovým mrakem, • vyčiřené vody (u víka), • kalu (u dna). 11.4.4
Odželezování a odmanganování
Poměrně četné jsou zdroje vod se zvýšeným obsahem železnatých a manganatých kationů. Snížení jejich obsahu je dosahováno intenzivní aerací – provzdušněním. Oxidací je dosaženo tvorby omezeně rozpustného hydroxidu železitého a oxidu manganičitého: Fe2+ + ½ O2 + 2 H2O → Fe (OH)3 Mn2+ + ½ O2
+
H+
+ 2 H2O → MnO(OH)2 + 2 H+
MnO(OH)2 → MnO2 + H2O
(11.7) (11.8) (11.9)
276
Pro oxidaci je dále použitelný chlór, manganistan draselný nebo ozón. Dražší a intenzivnější oxidační činidla jsou používána jen v případech, kdy při vyšším obsahu uvedených kationů je oxidace vzdušným kyslíkem málo účinná. Rychlost oxidace roste s rostoucím pH, u železa je rychlejší. Odželezování a odmanganování probíhá také při úpravě vápenato – uhličitanové rovnováhy, která je uvedena v kap. 10.3.2. 11.4.5
Filtrace
Filtrace náleží k závěrečným operacím úpravy vod. Cílem je odstranění nerozpustných látek vznikajících v předcházejících technologických operacích. Je realizována ve filtrech různých konstrukcí, např.: • otevřené pískové filtry, • tlakové pískové filtry, • filtry s náplní plastických hmot, • koláčové filtry. Filtry mají fázi pracovní, kdy dochází k filtraci upravované vody. Ve druhé prací fázi jsou z prostoru filtrační náplně vyplavovány protiproudem prací vody zachycené nerozpustné látky za intenzivního provzdušňování. Tím je dosaženo regenerace pískové aj. filtrační náplně filtru. Pro filtraci v pískovém filtru je používán písek o zrnitosti 0,7 – 1,1 mm. Filtrační rychlost je v tomto případě 4,5 – 7,0 m3.m-2 . h-1 při výšce náplně 1,1 – 1,3 m. 11.4.6
Dezinfekce
Dezinfekce je poslední operací úpravy vod. Zajišťuje bakteriologickou nezávadnost upravené vody, která musí být spolehlivě zajištěna až do místa odběru upravené vody uživatelem, zejména vody pitné. V dlouhých rozvodných řadech pitné vody bývá realizováno dochlórování ve vodojemech i potrubních trasách. Dezinfekce je zajišťována užitím silných oxidačních činidel, zejména: • plynného chlóru (0,2 – 1,0 mg Cl . l-1) • ozónu, • oxidu chloričitého, • chloraminu, • ultrafialového záření. V praxi je nejběžnější chlórování v kombinaci s ozonizací. Ozón je pro desinfekci velmi účinný, ale nestabilní – rychle se rozkládá. Proto je nutná chlorace, která zajistí dlouhodobější desinfekci upravené vody i za cenu zhoršení chuťových vlastností. Dále uvedený rozklad kyseliny chlorné probíhá sice závisle na teplotě až několik desítek hodin. V některých případech je ale nutné odchlórování vody na trase mezi úpravnou a odběrateli, např. ve vodojemech. Tím je zajištěna spolehlivá desinfekce pitné vody v celé potrubní trase až do místa spotřeby. Během chlórování probíhají ve vodě následující reakce: H2O + Cl2 → HClO + HCl
(11.10)
HClO → HCl + O*
(11.11)
277
Tzv. aktivní kyslík - vysoce reaktivní kyslíkový radikál – zajišťuje svým oxidačním působením bezpečné zneškodnění mikroorganismů i oxidaci dalších případně ve vodě přítomných látek. Chlór je do úpraven vody dodáván z elektrochemické výroby v tlakových láhvích. Ozón je vyráběn v ozonizátorech přímo v úpravnách vody. Vzniká ze vzdušného kyslíku ve vysokonapěťovém elektrickém výboji. 11.4.7
Ostatní technologické operace používané při úpravě vod
S ohledem na omezené zásoby povrchových a zejména podzemních vod nebo speciální účely použití jsou užívány i další technologické postupy, které umožňují úpravu vody pro potřeby uživatelů např.: • • • • • •
adsorpcí znečišťujících,zejména organických sloučenin na aktivním uhlí práškovém nebo granulovaném, užití iontoměničů (anexy, katexy) pro přípravu deionizované vody, užití ultrafiltrace, reverzní osmózy a elektrodialýzy např. pro odsolování, destilace, odplynění zvýšením teploty a snížením tlaku (desorpcí), odstranění kyslíku hydrazinem nebo hydroxilaminem.
Kontrolní otázky 1. Jaké zdroje vod jsou využívány pro zásobování obyvatelstva a průmyslu? 2. Jak se vzájemně liší kvalita povrchových a podzemních vod? 3. Čím je způsobena tvrdost vody přechodná a trvalá, jak ji lze snížit nebo odstranit? 4. Které znečišťující látky bývají ve zdrojích vod, které se odstraňují nejhůře? 5. Jaké technologické operace se obvykle uplatňují při úpravě vody na vodu pitnou? 6. Jaké typy zařízení jsou běžně používány v úpravnách vod? 7. Na jakém principu funguje čiření vody, jak je prováděno? 8. Jak je realizováno odstranění sloučenin železa a manganu? 9. Jaké typy filtrů jsou požívány v úpravnách vod, jak jsou filtrační hmoty regenerovány? 10. Co je rozuměno desinfekcí vody, jakými látkami je realizována?
278
12.
Technické plyny
Technickými plyny je rozuměna skupina čistých plynů nebo jejich směsí, které jsou vyráběny v průmyslovém měřítku. Jsou dodávány stlačené, zkapalněné, absorbované případně ztužené odběratelům v (ve): • průmyslu (chemickém, strojírenském, elektrotechnickém, potravinářském aj.), • humánní a veterinární medicíně, • stavebnictví, • dopravě, • zemědělství, • vodárenství k úpravnám vod i čistírnám odpadních vod apod. Základní předností užití průmyslově vyráběných technických plynů je jejich normované složení a čistota, tj. ČSN stanovená koncentrace technického plynu a definovaný nejvyšší přípustný obsah cizorodých látek - plynů nebo par. Užití technických plynů vždy vede k: • intenzifikaci procesů pro minimální obsah inertních příměsí s růstem výkonnosti technologického zařízení a produktivity práce. Obdobně toto platí při podávání kyslíku k intenzifikaci životních funkcí v medicíně. • optimalizaci procesů, • ekonomické efektivnosti, • mnohdy vůbec umožňuje realizaci některých technologických postupů (např. autogenní sváření nebo řezání kovů), • prodloužení trvanlivosti surovin, polotovarů nebo výrobků, možnosti jejich dlouhodobého skladování beze změny kvality, • zajištění bezpečnosti práce a ochrany zdraví pracovníků. Tabulka č. 12.1 Základní fyzikálně-chemické vlastnosti vybraných technických plynů b.v.za atm.tlaku(oC)
krit.teplota (oC)
Látka
vzorec
acetylen argon butan čpavek dusík helium chlor oxid dusný oxid siřičitý oxid uhelnatý oxid uhličitý kyslík metan neon propan vodík vzduch
C2H2 Ar C4H10 NH3 N2 He Cl2 N2O SO2 CO CO2 O2 CH4 Ne C3H8 H2 --
- 81,8 - 189,3 - 0,6 - 33,3 - 195,8 - 270,6 - 100,5 - 90,0 - 10,0 - 191,5 - 78,5 - 183,0 - 161,4 - 246,1 - 42,6 - 252,78 - 194,0
36,3 - 122,4 153,0 132,4 - 147,1 - 267,9 144,0 35,4 157,2 - 139,0 31,1 - 118,8 - 82,5 - 228,7 95,6 - 239,9 - 140,7
xenon
Xe
- 108,8
16,6
krit.tlak(MPa) 6,37 4,864 3,72 11,28 3,46 0,225 7,87 7,76 8,04 3,62 7,55 5,14 4,56 2,62 4,45 1,324 3,85
5,82
279
12.2
Výroba technických plynů
Technologické postupy výroby technických plynů lze rozdělit do tří základních skupin – na postupy: • chemické, • fyzikální, • kombinované. Výroba technických plynů kterýmkoliv z výše uvedených postupů má zpravidla několik základních technologických operací: • výběr výchozí suroviny, její úprava nebo vyčištění od nežádoucích příměsí (prachu, vlhkosti a dalších znečišťujících par a plynů), • vlastní výrobu technického plynu s jeho izolací ze vznikající směsi, • mechanické, chemické nebo fyzikálně-chemické dočištění produkovaného plynu, • komprese nebo zkapalnění plynu, • plnění stlačených či zkapalněných plynů do skladovacích a přepravních nádob nebo dopravních prostředků. 12.2.1 Chemické výrobní postupy technických plynů a)
Výroba oxidu uhličitého
Oxid uhličitý je používán jednak v chemickém průmyslu např. pro výrobu močoviny a sody, v potravinářském průmyslu pro sycení a stáčení alkoholických nebo nealkoholických nápojů, saturaci cukerné šťávy při výrobě řepného cukru, jako inertní plyn pro konzervaci potravin a pokrmů, k vytvoření ochranné atmosféry při sváření elektrickým obloukem (čistý nebo ve směsi s argonem), jako hasící prostředek do sněhových hasících přístrojů, jako chladivo v podobě suchého ledu a pro mnoho dalších účelů. Oxid uhličitý je získáván: - z přírodních zdrojů, např. zemního plynu nebo bioplynů, - ze spalovacích procesů, - jako odpad z chemických a metalurgických výrob, - z kvasných procesů (část CO2 zůstává rozpuštěna v kvasném roztoku), - z aerobního a anaerobního rozkladu organických látek, - z chemických výrob, - rozkladem uhličitanů: - v kyselinách, - termickým. Dále budou uvedeny pouze nejčastěji průmyslově využívané technologie. Technologie výroby oxidu uhličitého: • termickým rozkladem uhličitanů (např. vápence, dolomitu nebo magnezitu) převážně v šachtových, někdy bubnových pecích. Výška šachtových pecí se pohybuje dle výkonu kolem 25 m, jejich vnitřní průměr bývá 3 – 5 m. Plášť pecí je vyroben ze vzájemně svařených ocelových plátů s vnitřní žáruvzdornou vyzdívkou. Drcená surovina o velikosti zrna do 100 mm, a případně koks, je dávkována do šachtových pecí shora. Plnění pecí je přes dvojitý zvonový (kychtový) uzávěr. Tím je zabráněno úniku nedýchatelných plynů a prachu do okolí během plnění pece. Z prostoru mezi zvony jsou odsávány spaliny se 280
zvýšeným obsahem oxidu uhličitého. U dna šachty je otočný rošt, kterým je vyhrnováno kusové vypálené vápno. Pod rošt je dmýchán spalovací vzduch. Nad roštem jsou umístěny hořáky s přívodem primárního spalovacího vzduchu, je-li pec vytápěna zemním plynem nebo topným olejem. Teplota rozkladu přesahuje 850 oC. Rozdrcená výchozí surovina je dávkována do pece spolu s palivem – koksem, topným olejem nebo zemním plynem v konstantním poměru. Např. poměr mezi koksem a vápencem je 1 : 5. Horké spaliny s oxidem uhličitým jsou v kontaktu se vstupními surovinami a jsou tímto používány pro vysoušení a předehřátí surovin, čímž se zároveň chladí. Výstupní plyn vždy obsahuje cca 55 % obj. dusíku, kolem 35 - 40 % CO2, asi 5 % O2 dle přebytku vzduchu pro spalování a vodní páru. Dále plyn obsahuje maximálně desetiny % CO, uhlovodíků a NOx. Vždy je znečištěn prachem z výchozích surovin i paliv, může obsahovat popeloviny i saze. Rozklad uhličitanů obecně vystihuje stechiometrická rovnice: MeCO3 → MeO + CO2
(12.1)
1 3
2 4
2 4
Obr. č. 12.1. Schéma šachtové pece na pálení vápence 1 – dávkování vápence a koksu, 2 – přívod vzduchu, 3 – výstup spalin s CO2 z prostoru dvojitého zvonového uzávěru, 4 – výsyp páleného vápna Vyrobený surový plyn je nutné ochladit a zbavit prachu (viz obr. 11.2). Toto bývá realizováno najednou ve sprchových věžích bez výplně nebo s výplní skrápěných vodou. Pokud je to třeba, dochlazuje se surový plyn v trubkových výměnících chlazených vzduchem nebo vodou. Pro některé účely není nutná izolace a koncentrace CO2 z vyrobeného plynu, např. pro potřeby cukrovarů nebo sodáren. Pro řadu dalších aplikací je nutné získat koncentrovaný čistý oxid uhličitý. K tomu účelu je nejčastěji využívána kombinace absorpce CO2 v dále uvedených roztocích kombinovaná s jeho desorpcí z absorpčních roztoků. S výhodou je využíváno absorpce s chemickou reakcí, které jsou velmi účinné, provozně spolehlivé a výkonné. Jako absorpční roztok bývá používán roztok uhličitanu draselného, který za chladu při teplotách pod 40 oC váže CO2 ve formě hydrogenuhličitanu draselného. Za teploty nad 80 oC probíhá vratná reakce spojená s desorpcí CO2 z absorpčního roztoku:
281
K2CO3 + CO2 + H2O ↔ 2 KHCO3
(12.2)
Podobným způsobem reaguje oxid uhličitý s monoetanoloaminem nebo dietanolaminem za vzniku hydrogenuhličitanů monoetanolaminu nebo dietanolaminu. 2
5
6
7 7
9 8
1
8
11
4 12 15
10
3 13
14
16
Obr. č. 12.2. Schéma linky čištění a koncentrace CO2 1 – přívod surového plynu, 2 – vstup vody do sprchové kolony, 3 – výstup kalů, 4 – vstup odprášeného plynu do absorpční kolony, 5 – výstup odplynu, 6 – nástřik absorpční kapaliny, 7 – vodní chladič, 8 – vstup chladící vody, 9 – nástřik předehřátého absorpčního roztoku do desorpční kolony, 10 – desorpční kolona, 11 – mokrý plynojem, 12 – parní topení, 13 – předloha absorpční kapaliny, 14 – cirkulační čerpadlo, 15 – chladič a předehřívač absorpční kapaliny, 16 – výstup čistého CO2 •
výroba CO2 z konverzních plynů během výroby vodíku nebo syntézního plynu pro výrobu čpavku (viz dále).
Oxid uhličitý je do míst spotřeby nebo k externím odběratelů dopravován: - potrubím na území průmyslových závodů, - v tlakových láhvích (do 20 MPa), - zkapalněný v železničních nebo automobilových cisternách, - ztužený jako suchý led v kontejnerech tepelně izolovaných pěnovým polystyrénem. b)
Výroba vodíku
Základními technologiemi výroby vodíku jsou: • zplyňování uhlí, • parní reformování zemního plynu nebo uhlovodíků s b.v. do 200 oC, • parciální oxidace uhlovodíků s b.v. nad 200 oC, • elektrolýza vody a vodných roztoků anorganických sloučenin.
282
Zplyňování uhlí: Zplyňování uhlí bylo v průmyslovém měřítku zvládnuto v polovině 19. století, kdy byla postupně zavedena výroba tzv. chudého plynu, vodního plynu a svítiplynu. Při snižování těžitelných zásob ropy a růstu cen zemního plynu lze očekávat opětné využití zplyňování uhlí v tlakových fluidních reaktorech, jak je uvedeno dále. - chudý plyn 33 – zplyňování bylo realizováno za omezeného přístupu vzduchu v šachtové peci (generátoru), kde se část uhlí spalovala a uvolněné teplo zajišťovalo pyrolýzu dalšího podílu uhlí ( CxHyOzNvSw ). Přitom vznikala směs oxidu uhelnatého, dusíku (pocházejícího hlavně ze vzduchu), metanu s menším obsahem vyšších nasycených a nenasycených uhlovodíků, vodíku, oxidu uhličitého, čpavku a sulfanu 34. Přitom obecně probíhají chemické reakce: (12.3) 2 C + O2 → 2 CO t CxHyOzNvSw → a CH4 + b CnH2n+2 + c CnH2n + d H2 + (v-x) NH3 + (w-z) H2S (12.4) - vodní plyn – zplyňování uhlí probíhalo periodickým střídáním tzv. horké periody a chladné periody. V horké periodě je do prostoru generátoru vháněn vzduch a přednostně je spalováno uhlí. Lože uhlí je vyhříváno exotermní reakcí (11.3 a 5) na teploty nad 1000 - 1200 oC. Po té je přívod vzduchu přerušen a do prostoru žhavého uhlí je v tzv. chladné periodě vháněna vodní pára. Vodní pára je endotermně rozkládána žhavým uhlím (11.7). Přitom probíhají přednostně následující chemické reakce: C + O2 → CO2
(12.5)
C + CO2 → 2 CO
(12.6)
C + H2O → CO + H2
(12.7)
- svítiplyn – zplyňování uhlí různé zrnitosti probíhá buď za atmosférického tlaku při teplotách kolem 1000 oC nebo za tlaku zvýšeného v šachtových pecích s pevnou vrstvou uhlí (Winklerovy generátory) nebo s fluidní vrstvou uhlí. Tlakové zplyňování probíhá za teplot 1200 - 1600o C ve vrstvě uhlí na mechanickém roštu nebo ve fluidní vrstvě za tlaku obvykle do 1 MPa 35. Poměr průměru a výšky šachtových pecí byl cca 1 : 5. Do zplyňovacího reaktoru je vháněn kyslík společně s vodní parou. Tím, že byl pro zplyňování používán kyslík místo vzduchu, nebyl do procesu vnášen inertní plyn – dusík, kterým bylo z procesu výroby vodního plynu odváděno značné množství tepla a snižoval koncentraci vlastního topného plynu. Přitom probíhají během výroby svítiplynu přednostně následující chemické reakce: C + O2 → CO C + H2O → CO + H2
(12.3) (12.7)
Chudý plyn bývá také označován jako plyn generátorový. Část dusíku a síry původně přítomných v uhlí je při zplyňování vázána do souběžně vznikajících heterocyklických sloučenin s pěti- nebo šestičlenným kruhem.
33 34
283
CxHyOzNvSw → a CH4 + b CnH2n+2 + c CnH2n + d H2 + (v-x) NH3 + (w-z) H2S (12.4) Produkovaná směs plynů - surový svítiplyn (energoplyn , koksárenský plyn ) je po výstupu ze zplyňovacího reaktoru vícestupňově čištěn. V prvním stupni je nástřikem vody postupně zchlazen a zbaven dehtovitých podílů. Kondenzací je zbaven vyšších uhlovodíků a jejich derivátů, thiofenu a fenolů. Následně je absorpcí ve vodě zbaven čpavku, merkaptanů a sulfanu. Odstraněním sirných sloučenin – katalytických jedů – je umožněno další zpracování plynu s cílem zvýšení obsahu vodíku a odstranění jedovatosti vyvolané přítomností oxidu uhelnatého. Koncentrace oxidu uhelnatého je snižována za zvýšeného tlaku katalytickou konverzí s vodní parou (obvykle do 4 MPa např. při výrobě syntézní směsi pro výrobu čpavku). Postupným vývojem se přecházelo od vysokoteplotní konverze (cca 500 oC s katalyzátorem na bázi Fe2O3 a Cr2O3), přes středoteplotní konverzi (cca 300 – 400 oC s kat. na bázi oxidů niklu) až ke konverzi nízkoteplotní (pod 250 oC s kat. na bázi oxidů mědi, hliníku, zinku a niklu). Konverzní reakci vystihuje stechiometrická rovnice: 36
CO + H2O → CO2 + H2
37
(12.8)
Pokud má být získáván čistý vodík, je z plynu vícestupňově oddělován oxid uhličitý absorpcí hlavně ve vodných roztocích hydrogenuhličitanu draselného (11.2), mono- (11.9.) nebo dietanolaminu, které jsou vratné – při teplotách pod 40 oC probíhá reakce zleva doprava a za teploty varu zprava doleva: CO2 + 2 (OH-CH2-CH2-NH2) + H2O ↔ (OH-CH2-CH2-NH3)2CO3
(12.9)
Zbytky oxidu uhelnatého a uhličitého jsou odstraňovány katalyticky tzv. metanizací (katalyzátory na bázi niklu) při teplotách kolem 400 oC, kterou vystihuje následující stechiometrická rovnice: CO + 3 H2 → CH4 + H2O (12.10) CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O
(12.11)
V Evropě včetně Československa byl tento proces výroby vodíku zplyňováním uhlí využíván až do konce padesátých let. Před druhou světovou válkou bylo takto vyráběno celosvětově 90 % vodíku. Pak bylo zplyňování uhlí vytlačeno levnějším parním reformováním zemního plynu či lehkých ropných frakcí nebo parciální oxidací těžších frakcí uhlovodíků z ropy, jak je uvedeno dále. V zemích s velkými zásobami levného černého i hnědého uhlí nebo v zemích vzdálených zdrojům ropy (Jihoafrická republika, Indie, Čína, Austrálie, Brazílie) buď dosud využívají nebo opět zavádějí či v brzké budoucnosti počítají se zavedením procesu tlakového
Technologie výroby svítiplynu – energoplynu je v České republice v provozu v Palivovém kombinátu Vřesová v rámci Sokolovské uhelné společnosti a.s. Energoplyn je využíván pro pohon spalovacích turbín paroplynové elektrárny. 37 Koksárenský plyn je vyráběn v ČR jako vedlejší produkt koksoven na Ostravsku. Při výrobě koksu je při pyrolýze černého uhlí bez přístupu kyslíku získáván koksárenský plyn obsahující podobné složky jako surový svítiplyn, ale s výrazně nižším zastoupením kyslíkatých složek (CO a CO2). Jeho další zpracování a použití je obdobné jako u svítiplynu. 36
284
zplyňování uhlí směsí kyslíku a vodní páry ve fluidních reaktorech. Postupný růst cen ropy a zemního plynu na světových trzích tento vývoj podporuje. Parní reformování zemního plynu nebo uhlovodíků Parní reformování (reforming) zemního plynu nebo lehkých uhlovodíků s b.v. do 200 oC je v současnosti nejpoužívanější technologií výroby vodíku pro potřeby petrochemie a výroby syntézní směsi pro výrobu čpavku. Parní reformování probíhá ve dvou stupních za teplot 700 830o C v prvním stupni (obr. 11.3.) a při tlaku do 4 MPa na katalyzátorech na bázi oxidů niklu a hliníku, případně i hořčíku. Ve druhém stupni probíhá reformování při teplotách 1000 1200o C tlaku do 4 MPa na chromitém katalyzátoru. Technologické uspořádání druhého stupně je analogické prvnímu stupni reformingu. Uhlovodíky s vodní parou jsou vedeny trubkovými reaktory s náplní katalyzátoru. Z vnější strany jsou stěny trubkového reaktoru zahřívány spalinami zemního plynu. Tepla spalin je využíváno pro výrobu technologické páry. Průběh parního katalytického reformování zemního plynu, jehož hlavní složkou je metan, vystihuje stechiometrická rovnice: CH4 + H2O → CO + 3 H2
(12.12)
Z rovnice rovněž vyplývá objemové zastoupení složek v reformovaném plynu – do 25 % obj. CO a do 75 % obj. H2. Dále jsou v reformovaném plynu přítomny inertní plyny ze vzduchu, zbytek nezreagovaného metanu a vodní páry. Reformování vyšších uhlovodíků s bodem varu do 200 oC probíhá dle principielně stejného reakčního schématu. 38 5 6 4
7
8
9
10
3 2 1 Obr. č. 12.3. Schéma prvního stupně parního reformingu zemního plynu 1 – přívod směsi zemního plynu a vodní páry, 2 – přívod vzduchu k hořáku, 3 přívod zemního plynu do hořáku, 4 – katalytický trubkový reaktor, 5 – výstup reformovaného plynu, 6 – parní kotel, 7 – výstup spalinv do kotle, 8 – výstup spalin z kotle, 9 –vstup napájecí vody do kotle, 10 – výstup páry z kotle
Reformování vyšších (těžších) uhlovodíků s bodem varu nad 200 oC není uvedenou technologií možné, neboť podléhají za teplot bodu varu pyrolytickému rozkladu za vzniku nepřesně definované směsi nasycených a nenasycených uhlovodíků včetně sazí, neboť v systému je nedostatek vodíku.
38
285
Reformovaný plyn je veden do chladiče a katalytického reaktoru pro konverzi oxidu uhelnatého vodní parou – viz rovnice 11.8. 39 Pak následuje oddělení CO2 absorpcí a desorpcí např. postupem (11.2) a odstranění zbytků CO a CO2 metanizací dle rovnic (11.11., 11.10), jak bylo uvedeno dříve. Parciální oxidace uhlovodíků Pro parciální oxidaci jsou vhodné uhlovodíky s bodem varu nad 200 oC. V praxi jsou používány těžké topné oleje (mazut) nebo nestandardní destiláty nevhodné pro další zpracování v petrochemickém průmyslu, případně energetice. Reakční teplota je udržována mezi 1200 – 1500 oC, tlak mezi 3 až 8 MPa, katalyzátorů není třeba. Pro oxidaci je používán výhradně čistý kyslík. Průběh reakce je vystižen následující stechiometrickou rovnicí: CnH2n+2 + n/2 O2 → n CO + (n+1) H2
(12.13)
Výstupní plyn vždy obsahuje zbytky lehčích uhlovodíků vznikajících termickým štěpením během oxidační reakce a stopy CO2. Po ochlazení v parním kotli je plyn zpracováván katalytickou konverzí vodní parou dle rovnice (11.8) a metanizací (11.9, 11.10). Elektrolýza vody Elektrolýza vody v současnosti zajišťuje produkci méně než 3 % světové spotřeby vodíku. Využívána je hlavně pro výkony kolem 0,5 – 1000 Nm3 H2 . h-1. Další asi 3 % celosvětové produkce vodíku pocházejí z jiných elektrochemických výrob, kde je vodík vedlejším produktem elektrolýzy vodných roztoků anorganických sloučenin (výroba chlóru a alkalických hydroxidů, chlornanů, chlorečnanů, peroxidu vodíku aj.). Pro vysokou energetickou náročnost se uplatňuje elektrolýza vody na produkci vodíku vyšším podílem, než je dříve uvedeno, jen ve státech s levnou elektřinou z vodních elektráren (Norsko, Indie, Egypt, Peru) nebo pro kapacitně menší technologie náročné na vysokou čistotu dále zpracovávaného vodíku, např. v potravinářství pro katalytickou hydrogenaci jedlých olejů během ztužování tuků. Pro velkokapacitní chemické výroby a energetiku dnes elektrolytická výroba vodíku nemá žádný význam. Moderní je tzv. kalolisová konstrukce bipolárních elektrolyzérů pracujících v naprosté většině případů při zvýšeném tlaku (až 1,5 MPa). Lázeň pro elektrolytický rozklad vody se v principu skládá ze systému anodových a katodových prostorů vzájemně oddělených plynotěsnou membránou. Jako elektrolyt je pro zvýšení vodivosti používán 25% roztok hydroxidu draselného, který má vyšší vodivost a menší tenzi vodních par nad roztokem než levnější hydroxid sodný při provozní teplotě 65 – 80 oC. Zvýšením tlaku se významně sníží objem bublin vznikajících plynů, což se příznivě projeví v menším ohmickém odporu lázně elektrolyzéru a tím úspoře elektřiny. Teoretické rozkladné napětí je 1,24 V. V důsledku polarizačního, přenosového a difusního přepětí je skutečné napětí na jedné cele elektrolyzéru 1,9 - 2,3 V dle kvality elektrod. Katody jsou železné, anody niklové. Elektrochemické reakce na jednotlivých elektrodách vystihují následující rovnice: 2 OH- → H2O + 1/2 O2 + 2 e2 H3O+ + 2 e- → H2 + 2 H2O
anoda: katoda:
(12.14) (12.15)
Pokud je vyráběn syntézní plyn pro výrobu čpavku, jsou spaliny z ohřevu reaktorů reformování uhlovodíků (proud 8 z obr. 11.3) přidávány k plynu za konverzí CO. Tím je do směsi přidáván dusík a všechen CO2 je pak v následující absorpci oddělen. 39
286
V elektrolyzérech je běžně vyráběn vodík s čistotou 99,5 - 99,9 % H2 a kyslík s čistotou vyšší než 98,0 %. Plyny odcházejí z elektrolyzéru s teplotou až 80 oC nasycené vodní parou. Musí se proto intenzivně chladit a sušit. Celková energetická účinnost elektrolyzérů se pohybuje kolem 60%. Pokud se do energetické účinnosti zahrne i účinnost výroby elektřiny, klesá celková energetická účinnost elektrolýzy vody pod 30 %! Z tohoto důvodu lze očekávat větší nástup elektrochemické výroby vodíku až v tzv. „poropném věku“, tj. období po vyčerpání těžitelných zásob ropy a zemního plynu. Na elektrolýzu vody mohou být napojeny rovněž obnovitelné zdroje energií, hlavně solární a větrné elektrárny. Tím by byla eliminována nevýhoda proměnlivosti jejich výkonu dle změn meteorologické situace, která je jim vyčítána při přímém napojení na elektrorozvodné sítě. Elektrolytická výroba vodíku s ohledem na svoji provozní operativnost může být velmi důležitým faktorem regulace zátěže soustav rozvodu elektřiny. Vodík pak bude akumulátorem energie vyrovnávajícím bilanční rozdíly mezi výrobou a spotřebou elektrické energie. Zplyňování biomasy Na základě grantu Bundes Umweltamt je v SRN vyvíjen tlakový fluidní reaktor s cirkulujícím ložem pro zplyňování biomasy (rychle rostoucí dřeviny + odpady dřeva, sláma, energetické plodiny). Na základě laboratorních zkoušek bylo zkonstruováno poloprovozní zařízení, které je schopno produkovat směsný plyn s obsahem cca 51,5 % obj. vodíku, dále 16,5 % CO, 21,8 % CO2, 7,4 % CH4 a se 3,0 % H2O. Principiálně může být tento plyn použit přímo pro pohon zážehových plynových motorů, plynových turbin i jako palivo do palivových článků. Na složky lze tento směsný plyn rozdělit např. dnes již provozně zvládnutou adsorpční technologií (PSA – viz dále). Vzhledem k tomu, že vysoké výnosy zemědělských plodin by v Evropě umožňovaly využití části orné půdy pro produkci energetických plodin, jeví se toto jednou z cest řešení energetických potřeb v oblasti bydlení a dopravy, ale zároveň i zaměstnanosti, využitím existujících kapacit v zemědělství a zároveň řešením stability kulturní krajiny. Allotermické štěpení vodní páry Futurologické studie uvažují s možností přímého allotermického štěpení vodní páry na vodík a kyslík s využitím jaderné energie. Výhodou tohoto procesu by byla vyšší energetická účinnost, než je účinnost dosažitelná klasickou cestou výroby elektřiny a následně elektrolýzy vody, jak bylo uvedeno dříve. Cena energie z takto vyrobeného vodíku by pravděpodobně byla nižší, než je cena elektrické energie vyráběné v jaderných elektrárnách. Toto by byl významný obrat v cenových relacích ve prospěch vodíku. Čistě termické štěpení vody probíhá podle reakce: H2O
→
H2
+
1/2 O2
Δ Hor = 285 kJ.mol-1
(12.16)
Uvedená silně endotermní reakce (allotermní štěpení) probíhá při teplotě nad 1000 oC, s přijatelnou účinností až ke 2000 oC. K tomuto účelu jsou ve světě vyvíjeny vysokoteplotní jaderné reaktory chlazené např. roztaveným olovem. Allotermický postup výroby vodíku s využitím jaderné energie není dosud dostatečně technologicky rozpracován, aby bylo možné jej blíže popsat. Lze naznačit hlavní problémové oblasti: - jaderná bezpečnost provozu a konkrétní uspořádání jaderného reaktoru, 287
- volba pomocného teplosměnného média mezi aktivní zónou a reaktorem pro štěpení vodní páry (roztavené olovo?), - konstrukce a materiálové provedení jaderného reaktoru a vlastního reaktoru pro štěpení vodní páry, - výroba výbušné směsi kyslíku a vodíku, kterou je nezbytné bezpečně rozdělit na složky. Toto bude zvládnutelné teprve vyvíjenými vysokoteplotními membránovými procesy dělení plynů, patrně na keramických membránách. Klasické procesy spojené s kompresí kyslíkovodíkové směsi záruku žádané provozní bezpečnosti neskýtají. Vodík je do míst spotřeby nebo k externím odběratelů dopravován: - potrubím na území průmyslových závodů, - v tlakových láhvích nebo v kontejnerech s tlakovými láhvemi (do 20 MPa), - perspektivně je uvažována distribuce zkapalněného vodíku v tlakových kontejnerech. Vodík je vyráběn především pro potřeby petrochemického průmyslu na hydrogenační reakce, pro výrobu čpavku, redukční reakce při výrobě katalyzátorů nebo čistých kovů z oxidů, sváření apod. Bývá používán rovněž jako palivo raketových motorů a palivových článků, momentálně přednostně v kosmické technice. Vodík je považován za perspektivní palivo automobilových i leteckých spalovacích motorů a palivových článků v tzv. „poropném období“. c)
Výroba acetylénu
Acetylén je vyráběn v principu třemi základními technologiemi: Výroba acetylénu z karbidu vápníku Karbid vápenatý je vyráběn elektrotermicky v odporově obloukových pecích. Výchozími surovinami je koks a pálené vápno. Chemická reakce probíhá za přebytku páleného vápna jako tavidla v zóně elektrického oblouku při teplotách přesahujících 2000 oC dle rovnice: CaO + 3 C → CaC2 + CO
(12.17)
Tavenina karbidu vápenatého je z pece vypouštěna odpichem do litinových pánví, kde chladne a tuhne. Po rozdrcení je karbid skladován ve vzduchotěsně uzavřených kovových kontejnerech, aby se nerozkládal působením vzdušné vlhkosti. Acetylén je vyráběn z karbidu vápenatého rozkladem vodou. Drcený karbid je dávkován s vodu do uzavřené komory, odkud je horem odváděn vyvíjený acetylén a spodem je odpouštěno vznikající vápenné mléko (mokrý postup) nebo vápenný hydrát (suchý postup). Rozklad karbidu vápenatého ve vodě vystihuje rovnice: CaC2 + 2 H2O → C2H2 + Ca (OH)2
(12.18)
Výroba acetylénu termickým štěpením benzínů Lehké benzíny je možné podrobit termickému štěpení. Žádoucí teploty pro štěpení benzínů, tj. kolem 2300 oC, je dosahováno v komoře vyhřívané hořákem spalujícím zemní plyn v čistém kyslíku. Teplota ve štěpícím reaktoru je regulována přívodem vodní páry. Benzín je nastřikován do proudu horkých spalin. Po rozštěpení je směs spalin a nenasycených uhlovodíků s převahou acetylénu prudce ochlazena nástřikem vodní páry a vody na teploty 288
200 - 300 oC. Ze směsi plynů je acetylén oddělen po dalším ochlazení absorpcí v organických rozpouštědlech např. naftě dle technologie firmy UHDE (SRN). Termické štěpení probíhá dle stechiometrické rovnice: CnH2n+2 → C2H2 + CmH2m
,
(12.19)
kde m << n . Technologie je velmi náročná na materiály, systémy měření a řízení. Bezpečně byla zvládnuta teprve s využitím náročného počítačového řízení technologie. Z uvedených důvodů není její průmyslové využití časté. 3 4
5
1 6
7
2 5 Obr. č. 12.4. Schéma termického štěpení benzínů 1 – přívod kyslíku, 2 – přívod zemního plynu, 3 – přívod vodní páry, 4 – nástřik lehkých benzínů, 5 – nástřik vodní páry nebo vody, 6 – komora hořáku, 7 - reaktor Výroba acetylénu z plynů po krakování těžších uhlovodíků V současnosti je v rafinériích ropy při termickém štěpení těžších uhlovodíků – nekatalytickým krakováním - získávána směs především nenasycených uhlovodíků, neboť v systému je nedostatek vodíku. Ochlazením a postupným absorpčním a extrakčním dělením je získáván za směsi čistý acetylén, ale také např. butadien či 2-metyl-butadien (isopren), eten a propen. Obecný průběh krakování rámcově vystihuje stechiometrická rovnice: CnH2n+2 → a C2H2 + b CmH2m + c CmH2m-2
,
(12.20)
Acetylén je do míst spotřeby nebo k externím odběratelů dopravován: - potrubím na území průmyslových závodů, - v tlakových láhvích nebo v kontejnerech s tlakovými láhvemi (do 2 MPa). Tlakové láhve jsou plněny infuzóriovou hlinkou s acetonem. Při plnění tlakových láhví acetylén tvoří roztok v acetonu. Tím je předcházeno riziku výbuchu při kompresi acetylénu. 12.2.2 Fyzikální postupy získávání technických plynů – výroba kyslíku a dusíku ze vzduchu Tabulka č. 12.2 Plyn % obj. % hm.
Složení suchého atmosférického vzduchu
N2 O2 Ar 78,03 20,99 0,933 75,47 23,20 1,28
CO2 0,030 0,046
H2 5.10-5 1.10-6
Ne He 0,0018 0,0005 0,0012 0,0007
Kr 0,0001 0,0003
Xe 9.10-6 4.10-5
Jak vyplývá z dříve uvedené tabulky, suchý vzduch obsahuje cca 78 % obj. dusíku, 21 % obj. kyslíku a cca 1 % ostatních plynů, zejména CO2, Ar, ale i He, vodíku, Ne, Kr, Xe, Rn, 289
CH4, NOx, aj. V technické praxi je obvykle uvažován obsah dusíku 79 % obj., protože většina z 1% obj. ostatních plynů v řadě procesů (zejména při spalování paliv) vykazuje inertní chování stejně jako dusík. Před zpracováním vzduchu kteroukoliv z dále uvedených technologií je nutné vzduch vyčistit, tj. odstranit všechny tuhé znečišťující látky vícestupňovou filtrací. Filtrace je obvykle prováděna na filtrech z netkaných textilií, papírových filtrech a keramických filtrech. Dále je nutné vzduch vysušit hygroskopickými adsorbenty a kondenzací vodních par na podchlazené výplni rekuperačních výměníků nebo vymrazováním pomocí kapalného dusíku. Oxid uhličitý je ze vzduchu vypírán absorpcí v roztoku hydroxidu sodného. Při výrobě kyslíku a dusíku ze vzduchu je využíváno tří základních technologických postupů: Kryogenní procesy - rektifikace zkapalněného vzduchu: Prvním krokem nízkoteplotního dělení vzduchu je jeho zkapalnění. Při hlubokém chlazení, tj. na teploty pod -100 oC, je k podchlazení a zkapalnění využíváno tzv. Joule – Thomsonova efektu. Během adiabatické expanze stlačeného plynu škrcením na expanzním ventilu nebo v pracovním stroji (detandéru) plyn koná vnější práci na úkor vnitřní energie, přičemž se ochlazuje z teploty T1 na teplotu T2 :
T2
χ - 1 P2 --------= T1 ( -------- ) χ P1 Cp χ = --------Cv
, kde
χ – adiabatický exponent expandujícího plynu Cp – molární teplo za konst. tlaku Cv – molární teplo za konst. objemu T1 – počáteční absolutní teplota v K T2 – konečná absolutní teplota v K P1 – počáteční tlak plynu před expanzí P2 – konečný tlak plynu po expanzi Joule – Thompsonův efekt je hodnocen dle měrného ochlazení definovaného diferenciálním Joule -Thompsonovým součinitelem KJT : δT KJT = ( ---------- )i δP Joule a Tompson zjistili, že škrtící efekt závisí jen na počáteční teplotě a lze ho přibližně vyjádřit vztahem: 273 KJT = ( ---------- )2 T
290
Tabulka č. 12.3 Závislost Thompsonova součinitele na teplotě t (oC) +30 KJT 0,15
-10 0,20
-40 0,25
-70 0,30
-110 0,23
-136 0,00
-180 - 0,024
Teplota, při které diferenciální součinitel KJT mění znaménko, je nazývána teplotou inverzní. Pro vzduch má hodnotu -136 oC. Pod touto teplotou se vzduch při expanzi neochlazuje, ale zahřívá. Tabulka č. 12.4 P (MPa) KJT
Závislost diferenciálního součinitele KJT na tlaku 2,5 2,0
5 1,9
10 1,6
20 0,9
Nejjednodušším zařízením pro zkapalňování vzduchu je zařízení Lindeho (viz obr. 11.5):. 1 9
4 2
5 3
6
8
7 Obr. č. 12.5
Schéma zkapalňování vzduchu dle Lindeho 1 – vstup suchého čistého vzduchu, 2 – kompresor, 3 – vstup stlačeného vzduchu do vodního chladiče, 4 – výstup ochlazeného vzduchu, 5 – protiproudý podchlazovací výměník tepla, 6 – expanzní ventil, 7 – odvod zkapalněného vzduchu z dělící nádoby, 8 – výstup nezkapalněného podchlazeného vzduchu do výměníku, 9 – přívod otepleného vzduchu na sání kompresoru
291
Tabulka č. 12.5
Závislost měrné spotřeby energie na pracovním tlaku a výkonu zkapalňovací stanice
P (MPa) Výkon (kg O2 /hod.) Spotřeba energie (kWh/kg)
0,5 300 0,45-0,65
10 do 250 1,45 - 1,6
20 300 1,4 - 1,7
Všechna ostatní zkapalňovací zařízení mají v principu podobné uspořádání. K podchlazování vzduchu může být použito vedle vodního chladiče také čpavkového strojního chlazení. Komprese vzduchu bývá vícestupňová pro vysokotlaké systémy (5,5 – 20 MPa) s vodními, čpavkovými nebo vzduchovými mezichladiči. Kompresory jsou používány zpravidla pístové. Vřazením detandéru (pístového expanzního stroje nebo expanzní turbíny) na větev expanze stlačeného plynu je snižována měrná spotřeba energie nutné k provozu zkapalňovací stanice. Části energie stlačeného plynu je tak využito ke kompresi vzduchu vstupujícího do zkapalňovací stanice. Pro vysoké výkony zkapalňovacích stanic v chemickém a hutním průmyslu jsou používány nízkotlaké systémy s turbokompresory pracující s tzv. Kapicovým cyklem. Zkapalněný vzduch je rozdělen na složky rektifikací ve dvoudílné rektifikační koloně využitím rozdílného bodu varu kyslíku (- 183 oC) a dusíku (-195,8 oC). Těkavější složka – kyslík – je odváděna z hlavy rektifikační kolony, méně těkavá složka – dusík – je odváděn z vařáku (paty) rektifikační kolony. Odběratelům je kyslík dodáván zkapalněný v tlakových nebo atmosférických tepelně izolovaných nádobách nebo stlačený plynný v jednotlivých tlakových láhvích, kontejnerech nebo návěsech s tlakovými láhvemi. Pokud je spotřebováván kyslík nebo dusík přímo v závodě, je na místa spotřeby rozváděn potrubím zkapalněný nebo plynný. Nekryogenní procesy dělení vzduchu na kyslík a dusík: Adsorpční dělení stlačeného vzduchu Principem adsorpčního dělení vzduchu je rozdílná adsorpce kyslíku a dusíku na pevných adsorbentech např. typu přírodních nebo syntetických zeolitů – hlinitokřemičitanů sodných, draselných, hořečnatých, vápenatých nebo jejich kombinací 40. Adsorpční technologie dělení vzduchu a směsí dalších technických plynů využívající změn tlaku v adsorpčním systému je známá pod zkratkou PSA - Presure Swing Adsorption – adsorpce při měnícím se tlaku. Tato technologie byla vyvinuta v 80. létech 20. století do průmyslově využitelného postupu. Poskytuje sice méně čisté plyny s 0,1–5 obj. % znečišťujících složek, ale je ekonomicky velmi příznivá pro průmyslová odvětví s vysokou potřebou kyslíku. Velkým odběratelem kyslíku je zejména ocelářský průmysl, kde při zkujňování surového železa v kyslíkových konvertorech menší příměs dusíku v kyslíku není na závadu technologického procesu. Základem adsorpční metody dělení stlačeného suchého a odprášeného vzduchu (je čištěn podobně jak je uvedeno v kap. d) je rozdílná schopnost adsorpce kyslíku a dusíku na Plyny se adsorbují na pevných adsorbentech tím lépe, čím vyšší je jejich bod varu. S výhodou je adsorpční technologie využívána jak pro dělení vzduchu na kyslík a dusík, tak pro vzájemné oddělení směsí lehkých nasycených či nenasycených uhlovodíků, CO, N2 a H2 v petrochemickém průmyslu. Metoda je také použitelná pro získávání metanu z bioplynů (skládkového plynu, kalového plynu, dřevoplynu). 40
292
pevných adsorbentech. Stlačený vzduch je veden přes kolonu s adsorbentem (viz obr.11.6.). Kyslík, tj. složka s vyšším bodem varu, je adsorbován přednostně na pevném adsorbentu, dusík kolonou prochází a je potrubím odváděn do plynojemů - samostatného plynojemu produkovaného dusíku a pomocného plynojemu - menší přídavné tlakové nádrže. Koncentrace kyslíku ve výstupním plynu je měřena kontinuální analyzátorem. Jakmile stoupne koncentrace kyslíku v produkovaném dusíku za adsorpční kolonou nad požadovanou hranici, je přívod vzduchu do adsorbéru zastaven a je odpojen odvod dusíku do hlavního a pomocného plynojemu dusíku. Pak je v adsorpční koloně snížen tlak, čímž dojde k desorpci původně adsorpcí vázaného kyslíku. Ten je odváděn samostatným potrubím do plynojemu kyslíku. Jakmile klesne tlak v adsorbéru na tlak v plynojemu kyslíku, je zbytek kyslíku z adsorbéru vytlačen dusíkem z pomocného plynojemu. Indikuje-li analyzátor přítomnost dusíku v potrubí do kyslíkového plynojemu, je výplach adsorbéru dusíkem ukončen. Cyklus funkce adsorpční stanice se opakuje natlakováním otevřením přívodu čistého stlačeného vzduchu. Uzavírací armatury na potrubích přívodu čerstvého čistého vzduchu do adsorbéru a všech plynojemů kyslíku a dusíku jsou řízeny automaticky procesorem, jehož vstupními signály jsou výstupy z analyzátorů kyslíku a dusíku a tlaky v aparátech adsorpční stanice. Pro kontinuální provoz jednotek s výkonem nad cca 1500 m3.h-1 adsorpčního dělení směsí plynů, tedy i vzduchu, je výhodný paralelní provoz dvou nebo více nezávislých linek. Jedna linka je schematicky znázorněna na obr. 11.6. 1
5
2
6
3 7 4
Obr. č. 12.6. Jednotka pro adsorpční dělení vzduchu 1 – přívod čistého stlačeného vzduchu, 2 – adsorpční kolona, 3 – analyzátor kyslíku, 4 – pomocný plynojem dusíku, 5 – plynojem kyslíku, 6 – analyzátor dusíku, 7 - plynojem dusíku Membránové dělení stlačeného vzduchu Separování směsí plynů pomocí membrán je založeno na odlišných propustnostech různých plynů membránami. V principu se uplatňuje odlišná velikost molekul jednotlivých plynů prostupujících póry membrán, v případě vzduchu rozdílná velikost molekul kyslíku a dusíku.
293
Membránové dělení stlačeného vzduchu vyžaduje perfektní vyčištění vzduchu od mechanických nečistot vícestupňovou filtrací (textilní filtr, papírový filtr, keramický filtr), jeho stlačení a vysušení. Pak vzduch prochází zpravidla polymerními membránami s definovanou velikostí pórů. Testovány jsou rovněž membrány keramické a ze slinutých práškových kovů. Systém řízení membránové technologie je plně automatizován. Čistota vyrobeného dusíku dosahuje 93 – 99,5 % i více. Membránové procesy dělení plynů jsou velmi ekonomické – výrobní náklady na produkovaný dusík jsou cca 50 % oproti kryogenním postupům, což je dáno nízkou měrnou spotřebou energie. Provozně jsou velmi spolehlivé a bezpečné, jsou nenáročné na údržbu. Jejich modulární konstrukce umožňuje sestavení jednotek s rozdílným výkonem dle potřeb odběratele. 12.3
Doprava a skladování technických plynů
Systémy dopravy a skladování technických plynů se vzájemně liší dle: • fyzikálně–chemických vlastností - kritické teploty, kritického tlaku, bodu varu za atmosférického tlaku, • chemických vlastností – reaktivnost se vzdušným kyslíkem, vodou a vodními parami, korozívních účinků na konstrukční materiály, • toxikologických vlastností – jedovatosti, omamných a halucinogenních účinků, dusivých a dráždivých účinků na živé organismy, • nároků na bezpečnost práce, které v zásadě z výše uvedených vlastností vyplývají. Technické plyny jsou dopravovány z místa výroby do místa spotřeby a skladovány: • ztužené v tepelně izolovaných kovových nebo dřevěných kontejnerech. Tímto způsobem je skladován a přepravován prakticky výhradně jen CO2 – suchý led. • zkapalněné v: - tlakových nádobách tepelně isolovaných (např. O2, N2, CO2) nebo bez tepelné isolace (např. NH3, Cl2, propan, butan) za podkritické teploty a nadkritického tlaku. Stabilní tlakové nádoby jsou používány pro skladování, mobilní tlakové nádoby umístěné na železničních vagonech, automobilových návěsech nebo přívěsech jsou používány pro přepravu. - tepelně isolovaných nádobách za atmosférického tlaku s jednoduchou nebo dvojitou stěnou (Devardovy nádoby) za kritické teploty s nutností odplynění – např. pro dopravu a skladování malých množství N2 nebo např. pro skladování NH3 a CO2 ve spojení se zkapalňovací stanicí v průmyslových podnicích. • stlačené v: - jednotlivých ocelových tlakových láhvích, - kontejnerech s tlakovými láhvemi, - v automobilních přívěsech nebo návěsech s tlakovými láhvemi, - v tzv. mokrých nebo suchých plynojemech. Všechny výše uvedené systémy s tlakovými láhvemi jsou používány pro přepravu technických plynů i jejich skladování. V areálech průmyslových závodů jsou technické plyny rozváděny mezi výrobou, sklady a odběrateli nízko-, středo- a vysokotlakým potrubím. Tlakové láhve (i potrubní rozvody) jsou označeny barevným pruhem pod uzavíracím jehlovým ventilem, aby bylo zřejmé, pro jaký plyn je tlaková láhev (zařízení) použito. Dvousložkové směsi technických plynů jsou označeny dvěma barevnými pruhy: 294
Pro technické plyny jsou používány ocelové tlakové láhve s jehlovými uzavíracími ventily. Jejich objem je zpravidla 0,38 / 1,0 / 2,0 / 7,0 / 10,0 / 20,0 / 40,0 / 50,0 litrů a to prakticky pro všechny technické plyny. Plnící tlak ocelových tlakových láhví je při 15 oC u propanu a topných plynů do 1,0 MPa, acetylénu do 2,0 MPa a ostatních technických plynů a jejich směsí 5 – 20 MPa, jak je v dále uvedené tabulce: Tab. Č. 12.6 Barevné značení tlakových láhví technických plynů a max, plnící tlak Plyn Acetylén Propan Kyslík Vzduch Helium Oxid uhličitý Dusík Vodík Argon Oxid dusný Čpavek
barevné značení bílá modrá modř návěštní stříbrná hnědá černá zelená červeň rumělková hněď kávová šeď střední fialová
max. plnící tlak (MPa) 2,0 1,0 20,0 20,0 20,0 5,0 20,0 20,0 20,0 4,5 1,0
Sklady technických plynů jsou zpravidla umístěny v samostatných objektech, zejména pokud se jedná o technické plyny jedovaté, hořlavé nebo ve směsi se vzduchem výbušné. Tlakové láhve jsou umísťovány do skladů s pevným obvodovým zdivem a lehkou střechou, aby v případě výbuchu tlaková vlnu nepoškodila okolní objekty a hlavní směr úniku expandujících plynů byl směrem vzhůru. Tím je také zaručeno, že vzniklé trosky dopadnou v nejbližším okolí skladu a nepoškodí sousedící objekty. Pokud jsou tlakové láhve uloženy nebo používány ve vertikální poloze, musí být zajištěny proti pádu ocelovou závorou nebo řetízkem. Při pádu hrozí výbuch způsobený poškozením uzavíracího jehlového ventilu nebo redukčního ventilu. Redukční ventil umožňuje odběr technického plynu pod stálým a regulovaným tlakem. Veškeré činnosti a práce s technickými plyny náleží do skupiny tzv. vyhrazených technických zařízení tlakových a plynových. Podmínky definují vyhlášky Českého úřadu bezpečnosti práce č. 18, 19, 20, 21/1979 Sb. pro vyhrazená technická zařízení. Jejich text je dostupný na internetu. Všechna tlaková a plynová zařízení podléhají přísnému režimu kontrol, revizí, běžných, středních a generálních oprav s vedením příslušných revizních záznamů (pasportů) a revizních knih. Rovněž jsou vyšší nároky na kvalifikaci a proškolování pracovníků.
295
Kontrolní otázky Co to jsou technické plyny, vyjmenujte některé! Jakými průmyslovými technologickými postupy jsou technické plyny vyráběny! Jak je průmyslově vyráběn kyslík, dusík, oxid uhličitý, vodík, acetylén? Které hlavní složky obsahuje zemní plyn, svítiplyn, vodní plyn a koksárenský plyn? Jaké technologické postupy dělení vzduchu na složky znáte, popište princip a základní uspořádání výrobní technologie? 6. Jak a k čemu lze využít energii stlačených plynů? 7. Na jakém principu je založena rektifikace zkapalněného vzduchu? 8. V jakém skupenství a jak jsou technické plyny skladovány a dopravovány – uveďte příklady! 9. Proč a jak jsou značeny tlakové láhve na technické plyny, pod jakým tlakem v nich bývají plyny? 10. Které bezpečnostní předpisy se vztahují na produkci, skladování, dopravu a použití technických plynů? 1. 2. 3. 4. 5.
296
13.
Literatura
13.1 Odborná literatura a časopisy 13.1.1 13.1.2 13.1.3 13.1.4 13.1.5 13.1.6 13.1.7 13.1.8 13.1.9 13.1.10 13.1.11 13.1.12 13.1.13 13.1.14 13.1.15 13.1.16 13.1.17 13.1.18 13.1.19 13.1.20 13.1.21 13.1.22 13.1.23 13.1.24 13.1.25 13.1.26 13.1.27 13.1.28 13.1.29 13.1.30 13.1.31
Bach H.F.: Odsíření spalin suchou cestou, Technische Hochschule Rosenheim (SRN), přednáška na konferenci Energetika a ŽP VI, Ústí n.L., 1996 Bernauer B. a kol.: Způsoby odstraňování oxidu dusného z odpadních plynů průmyslových a spalovacích procesů, Chemické listy 95, 392-399, Praha (ČR), 2001 Bird, Steward, Leyghfood: Přenosové jevy, SNTL Praha Brdička R.: Základy fyzikální chemie, Přírodovědecké nakladatelství, Praha, 1952 Bűchner W. a kol.: Průmyslová anorganická chemie, SNTL Praha, 1991 Engler B.H.: Katalysatortechnik – auf Leistung getrimmt, Chemische Industrie, Hessen (SRN), 1993 Friess K., Vodáková Z.: Odsiřovací a denitrifikační technologie se značkou ABB v energetice, Energetika, 7-8/97, 232-235, Brno, 1997 Hála, Reiser: Fyzikální chemie, díl I a II, Academia Praha, 1971 Hobler T.: Absorpce, SNTL Praha Hranoš: Stroje a zařízení v chemickém průmyslu, VÚROM Ostrava Kodejš Z., Bechyně K.: Získávání platinových kovů z automobilových katalyzátorů, Chemické listy 86, 893-899, Praha, 1992 Kossacký, Surový: Chemické inženierstvo, díl I a II, Alfa Bratislava Lebeděv: Chemická kinetika a katalýza, SNTL Praha 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) Nacházel Z., Kotíšek J. a kol.: Odsíření malých a středních tepelných zdrojů, MP ČR Praha, 1991 Palatý a kol.: Základy ochrany prostředí, skripta, VŠCHT Praha Pilař: Chemické inženýrství I a II, SNTL Praha Pour V., Sobalík Z.: Katalytický rozklad oxidu dusnatého, Chemické listy 87, 92-97, Praha (ČR), 1993 Pozin M.E.: Technologie minerálních solí I a II, Vydavatelství "Chemie", Leningrad, 1970 Regner A.: Technická elektrochemie I, Akademia Praha, 1967 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 Vejvoda J. a kol.: Technologie ochrany ovzduší a čištění odpadních plynů, skripta, ISBN 80-7080-517-X, VŠCHT Praha, 2003 Volák Z., Ryba M., Pechoč V.: Příklady chemicko-inženýrských výpočtů I/1, SNTL Praha, 1974 Dočkal P.: Opětovné používání vody v průmyslu, SNTL Praha, 1988 Frank K.: Provozování vodovodů a kanalizací v malých obcích, MZe ČR Praha, 1995 Horký J.: Tvorba a ochrana životního prostředí, ČVUT Praha, 1991
297
13.1.32 Kolektiv: Automatizace a řízení provozu ČOV, FS VUT Brno, ISBN 80-86020-11-8, 1997 13.1.33 Kolektiv: Čištění průmyslových odpadních vod, sborník přednášek, ISBN 80-8602024-X, Brno, 2000 13.1.34 Kolektiv: Nové metody a postupy při provozování čistíren odpadních vod VI, sborník přednášek, ISBN 80-86020-38-X, Brno, 2001 13.1.35 Kolektiv: Optimalizace návrhu a provozu stokových sítí a ČOV, Hydrosphere 2003, ISBN 80-86020-41-X, Brno, 2003 13.1.36 Kolektiv: Malá československá encyklopedie, Akademia Praha, 1988 13.1.37 Kolektiv: Základní anorganický průmysl, SNTL Praha, 1968 13.1.38 Koller J.: Ochrana prostředí v průmyslu I, SNTL Praha, 1984 13.1.39 Malý J., Malá J.: Chemie a technologie vody, ISBN 80-86020-13-4, Brno, 1996 13.1.40 Nesměrák I.: Projekt Labe - Výsledky a přínosy, VÚV T.G.Masaryka, ISBN 8085900-06-8, Praha, 1995 13.1.41 Palatý J. a kol.: Základy ochrany prostředí, VŠCHT Praha, ISBN 80-7080-173-5, 1993 13.1.42 Palatý J., Paleček J.: Základy ekologie, VŠCHT Praha, ISBN 80-7080-144-1, 1992 13.1.43 Pariláková K.: Možnosti riešenia biologicko-technickej rekultivácie kalových polí ZSNP a.s. Žiar n.H., VÚ podoznalectva a ochrany pody, ISBN 80-89128-02-5, 13.1.44 Bratislava, 2003 13.1.45 Pěnčík K.: Přehled zařízení pro čištění a úpravu vod, I. a II. díl, MŽP Praha, 1990 13.1.46 Sojka J.: Malé čistírny odpadních vod, Vydavatelství ERA, ISBN 80-86517-11-X, Brno, 1997 13.1.47 Svatý F.: Technológia priemyslu, Alfa Bratislava, 1987 13.1.48 Šilar J., Bőhm A.: Vodní zákon a související předpisy, 2. vydání, SZN Praha, 1975 13.1.49 Tuček F. a kol.: Základní procesy a výpočty v technologii vody, SNTL, Praha, 1988 13.1.50 Vlček J., Drkal F.: Technika a životní prostředí, ČVUT Praha, 1994 13.1.51 Vodovody a kanalizace ČR, MŽP, Praha, 1998 – 2002 13.1.52 www.zamek.cz 1996 13.1.53 www.datatechnik.cz, 2004 13.1.54 www.marinfo.cz, 2004 13.1.55 www.inkos.cz, 2004 13.1.56 Žáček L.: Příručka pro kontrolu a řízení provozu úpraven vody, SNTL Praha, 1988
13.2
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 13.2.5 Herding GmbH., Entstaubensanlagen mit dem Sinterlamellenfilter, Amberg (SRN), 1998 13.2.6 Turbofilter GmbH., Entstaubungstechnik, Essen (SRN), 1992 13.2.7 DCE LIMITED, Flue-gas cleaning, Leicester (UK), 1993 13.2.8 SPG/Wagner-Biro, Rauchgasentschwefelung, Graz (Rakousko), 1994 13.2.9 ČEZ, a.s. Elektrárny Prunéřov, Odsíření spalin, Kadaň (ČR), 13.2.10 Lentjes Bichoff, Rauchgas-Reinigung, Essen (SRN), 1997 13.2.1 13.2.2 13.2.3 13.2.4
298
13.2.11 Hoogovens Technical Services B.V., Flue gas desulphurization plant, Rotterdam (Holland), 1997 13.2.12 Lurgi Energie- und Umwelttechnik GmbH., ZWS-Kraftwerke, Frankfurt a.M. (SRN), 1991 13.2.13 Haldor Topsoe A/S, Umweltverfahren, Lyngby (Dánsko), 2000 13.2.14 Lurgi Energie- und Umwelttechnik GmbH., Reinigung von Nutz- und Stauben und gasformigen Schadstoffen, Frankfurt a.M. (SRN), 1991 13.2.15 Coal can be Green, Direktorate-General for Energy, Brusel (Belgie), 1992 13.2.16 Hoogovens Technical Services B.V., First SCR Demo-plant, Rotterdam (Holland), 1997 13.2.17 Haldor Topsoe A/S, SNOX Anlage, Lyngby (Dánsko), 2000 13.2.18 ENETEX GmbH., Katalytische Verbrenungsanlage, Linsengericht (SRN), 13.2.19 Johnson Matthey Catalytic Systems Division, Catalytic Converters, Royston (UK), 1990 13.2.20 W.C. Heraeus GmbH., Abgaskatalyzatoren, Hanau (SRN), 1994 13.2.21 W.C. Heraeus GmbH., Edelmetallkatalyzatoren – Katalytische Gasreinigung, Hanau (SRN), 1994 13.2.22 KEU-CITEX Energie- und Umwelttechnik GmbH, Abgas-/Abluftreinigung, Krefeld (SRN), 1993 13.2.23 Degussa AG, DeDIOX-Verfahren, Frankfurt a.M. (SRN), 2000 13.2.24 KEU-CITEX Energie- und Umwelttechnik GmbH, Katalytische Oxidation, Krefeld (SRN), 1993 13.2.25 SPG/Wagner-Biro, DeNOx-Anlage DKW Voitsberg, Graz (Rakousko), 1994 13.2.26 ABB Umwelttechnik, Fortschrittliche Technologien zur Luftreinigung, Butzbach (SRN), 2001 13.2.27 Haldor Topsoe A/S, Catalytic Combustion Technology for Air Purification, Lyngby (Dánsko), 1998 13.2.28 Degussa AG, Chemical Catalysts, Frankfurt a.M. (SRN), 2001 13.2.29 Luigi Fortuna, Katalytische Abluftreinigungsanlagen, Lissone (Itálie), 1997 13.2.30 Chepos Engineering s.r.o., Čištění odpadního vzduchu katalytickým spalováním, Brno, 1991 13.2.31 GEC Alsthom, Abgas- und Rűckstandsverbrennungen (ARV-Systeme), Stuttgart (SRN), 1993 13.2.32 ACON Anlagenbau GmbH.: Membranschlauch-Belüftungssystem, München, SRN 13.2.33 AGROSTAV, a.s.:Čistírny odpadních vod, Šumperk 13.2.34 ASEKO, s.r.o.: Jemnobublinový provzdušňovací systém, Zábřeh na Moravě 13.2.35 Bertrams AG: Nassoxidation von Abwasser, Muttenz, Sweitz, 2002 13.2.36 CEFIC: Phosphates a sustainable future in recycling, Bruxelles, Belgiím 13.2.37 Euro Iseki, Ltd.: The vacuum way, Straford, UK, 2002 13.2.38 Environment Commerce s.r.o./Ltd./GmbH: Biologické čistírny odpadních vod, Praha 13.2.39 Envitest, s.r.o.: Kalolisy pro technologickou výrobu a pro kalové hospodářství, Brno 13.2.40 FFG Flensburger Fahrzeugbau GmbH.: Saug-Druck-Spülfahrzeuge, Flensburg, SRN, 1992 13.2.41 Fuchs Gas - und Wassertechnik, GmbH.: Wastewater purification, Sewage sluge treatment, Mayen, SRN 13.2.42 GSE Lining Technology GmbH.: Das GSE Relining-System, Hamburg, SRN, 1996 13.2.43 Heraeus Elektrochemie GmbH.: Elektrolyse-Systeme zur Schwermetallrückgewinnung und zur Prozesswasseraubereitung, Rodenbach, SRN 13.2.44 HP Waste Water Management AB: Step Screen L, SS 900, Lindome, Sweden
299
13.2.45 HUBER CS, s.r.o.: Huber Rotamat - Rotační čelo, Rotační síto, Brno 13.2.46 IAB Ingenieur und Anlagenbau GmbH.: The new IAB Deep-Jet Aerator, Leipzig 13.2.47 KHD Humboldt Wedag AG: Centrifugal dewatering of water treatment solids, Kőln, SRN, 1993 13.2.48 KRONOS INTERNATIOMAL, INC.: Phosphat-Elimination, Langenfeld, SRN 13.2.49 LINDE AG: Stickstoff-Elimination in Klarwerken, Hollriegelskreuth, SRN, 1995 13.2.50 Machinenfabrik Landustrie b.v.: Landox-Umlauf-Belüftungssystem, Sneek, Holland, 1990 13.2.51 PBS, a.s.: Dekantační odstředivka HDO, Velká Bíteš 13.2.52 PROX T.E.C., s.r.o.: Čištění odpadních vod, Praha 13.2.53 TMS a.s. Pardubice, divize BIOGAS: Anaerobní čištění odpadních vod a zpracování kalů, Pardubice 13.2.54 TROLINING GmbH.: Trolining Rohrsanierung, Troisdorf, SRN, 1996 13.2.55 SASLMO a.s.: Pásový lis EP-70, Bratislava, 13.2.56 Seko Projekt, s.r.o.: Lapoly, Turnov, 1998 13.2.57 SILKEM GmbH.: Die starke Sanierunglösung fur Hauptkanal, Reilingen, SRN 13.2.58 Schauenburg Maschinen und Anlagen-Bau, GmbH.: Abwasserklärung und Schlammentwasserung, Mühlheim a.R., SRN, 1995 13.2.59 STN Systemtechnik Nord, GmbH.: GULLYVER - Kanalinspektion an der langen Leine, Bremen, SRN, 2002 13.2.60 WOMA Apparatebau GmbH.: Ecomaster 2000 - Hochdruck-Strahlwasser System, Duisburg, SRN
300
