Keemiatehnika I vaheeksam (3)

Põhioperatsioon – tootmisprotsessi alused või osad, mis põhinevad sarnastel teaduslikel alustel või mille tegemiseks kasutatakse samu võtteid. Toimub energia ülekanne ja muutumine ning materjalide ülekanne ja muutumine põhiliselt kas füüsikaliste või füüsikalis-keem,imliste meetoditega.
Põhiopid: fluidiumi voolamine , hüdromeh separeerimine, soojusvahetus , aurustamine, kuivatamine , destillatsioon, absorptsioon , membraanlahutus Ekstraktsioon, adsorptsioon, leostamine, kristallisatsioon
Keemiatehnika aluseks on
- termodünaamika - mateeria ja energia jäävuse seadus - ülekandeprotsesside kineetika ja keemiline kineetika
Ülekandeprotsessid:
1) liikumishulga ülekanne – liikumishulga ülekanne esineb liikuvas keskkonnas
2)massiülekanne – toimub massi ülekanne ühest faasist teise faasi. Põhimehhanism nii gaasi, tahke kui vedela oleku korral on sama. 3)soojusülekanne
Hüdraulika alused:
Fluidium – aine, mis ei allu jäävalt deformatsioonile ning seetõttu muudab oma kuju
Hüdromehhaanika – teadusharu , mis uurib fluidiumi tasakaalu ning liikumist, samuti fluidiumi ning selles olevate tahkete osakeste omavahelist vastastikmõju
Hüdraulika – hüdromehhanika teadusharu, mis käsitleb vedeliku tasakaalu (hüdrostaatika) ja liikumise (hüdrodünaamika) seaduspärasusi.
Kokkusurumatu fluidium – fluidium, mille tihedus ei muutu või muutub vähe mõõdukal temperatuuril ja rõhu muutumisel
Kokkusurutav fluidium – fluidium, mille tihedus muutub oluliselt rõhu ja temperatuuri muutmisel
Fluidiumi põhiomadused:
Tihedus – antud temperatuuril ja rõhul on fluidiumil kindel tihedus
Viskoossus – fluidiumi omadus takistada osakeste liikumist üksteise suhtes
Kinemaatiline viskoossus -
ühik 1m2/s
Newtoni viskoossuse seadus -, kus on proportsionaalsustegur mida nimetatakse vedelike dünaamiliseks viskoossuseks. Ühik 1Pa*s
Njuutonvedelikud – homogeensed gaasid ja vedelikud, mis alluvad Newtoni sisehõõrdeseadusele
Mittenjuutonvedelikud – viskoossed omadused ei ole kirjeldatavad newtoni seadustega.
Ideaalvedelik – vedelik, millel on konstantne tihedus ja nulliline viskoossus. St et ideaalvedelikul on lõpmata suur voolavus, ta liikumine on hõõrdevaba, ta on rõhu mõjul kokkusurutmatu ja ta tihedus ei muutu temperatuuri muutudes .
Reaalvedelik – 1)tilkvedelikud – moodustavad homogeense võõristeta ja tühikuteta keskkondi (vedelikud), on praktiliselt kokkusurumatud ning väikese ruumipaisumisteguriga.
2) gaasid ja aurud – kokkusurutavad, tihedus sõltub temperatuurist ja rõhust
Hüdrostaatika:
Hüdrostaatiline rõhk – survejõu intensiivsus tasapinna A mingis suvalises punktis
Hüdrostaatika differentsiaalvõrrand: Näitab, et hüdrostaatiline rõhk on konstantne
Hüdrostaatika põhivõrrand
Hüdrostaatika põhivõrrandi rakendusvorm ( Pascali võrrand) – rõhk tasakaalus oleva vedeliku suvalises punktis koosneb välisrõhust tema pinnal ja vedelikusamba avaldatavast lisarõhust
Pascali seadus – rõhu muutus mistahes vedeliku punktis kandub edasi samasugusena kõikidesse vedeliku punktidesse.
Ühendatud anumate seadus – vedelikusammaste kõrgused on pöördvõrdelised nende tihedustega
Hüdrostaatiline paradoks – rõhttasandi kõigis punktides valitseb ühesugune rõhk ning rõujõud , kus V on ruumala, mis saadakse kõrguse h ja põhjapindala A korrutisena. Jõud mõjub sellisesse ruumalasse mahtuva vedeliku kaaluga. Jõud on alati nii suur, sõltumata sellest, milline on anuma kuju ja palju vedelikku sellesse anumasse mahub
Hüdrodünaamika
Mittestatsionaarne ehk muutuv voolamine – selline voolamine, milles voolamise kiirus U ja rõhk P sõltuvad mistahes vedeliku punktis peale ruumikoordinaatide ka ajast
Statsionaarne voolamine – voolamine, kus mistahes vedeliku punktis nii kiirus u kui rõhk p sõltuvad ainult ruumikoordinaatidest
Voolu keskmine kiirus – voolu keskmine kiirus on mahtkulu ja voolu ristlõikepindala suhe
Vedeliku kulu – vedeliku hulk mis läbib ajaühikus toru ristlõikepindala
Voolamise pidevuse võrrand – keskmise kiiruse ja voolu ristlõikepindala korrutis on konstant
Laminaarne voolamine – fluidiumi ühtlane voolamine, mille puhul vedelike kihid liiguvad üksteisega prallelselt ja ei toimu vedelikukihtide segunemist
Turbulentne voolamine – voolamine, kus vedeliku osakeste trajektoorid on kaootilised
Bernoulli võrrandi energeetiline ja geomeetriline tõlgendus – vedelikusamba kõrguse kaudu mõõdetud rõhk e surve võrdub erienergiaga. Kõigil bernoulli võrrandi liikmeil on pikkuse dimensioon, järelikult väljendab igaüks neist survet, ühtaaegu aga ka voolava vedeliku erienergiat. Kolm võrrandiliiget kokku annavad täissurve H ehk erienergia E
kus z on kõrgussurve e potentsiaalne asendienergia, p/pq – piesomeetersurve e potentsiaalne rõhu erienergia, ja viimane on kiirussurve e kineetiline energia
Bernoulli võrrand ideaalvedelikule -
Bernoulli võrrand reaalvedelikule – vedeliku voolamisel nt piki toru koguenergi pidevalt väheneb potentsiaalse energia kadude tõttu
Hõõrdetakistus – vedeliku voolamisel tekivad hõõrdumsed vastu toru seina ning viskoosuse tõttu höördumine vedelikekihtide vahel. Turbulentsel voolamisel lisandub sellele ka energiakadu osakeste turbulentse segamise tõttu. Neid kõiki nimetatakse hõõrdetakistuseks ja nende tõttu tekkivat survekadu hõõrdsurvekaoks hhõõrde
Lambda – hõõrdetegur. Siledate torude korral
Kohttakistus – kui voolamisel voolusuund muutub, väänduvad voolujooned tugevasti ja tekivad keerised, mis põhjustavad energiakadusid ja mis liidetakse hõõrdetakistuse energiakadudele. Selliseid energiakuluallikaid nimetatakse kohttakistusteks ja sellest põhjustatud survekadu kohtsurvekaoks
Fluidiumi transport
Pumbad – hüdraulilised masinad , mis muudavad ajami mehhaanilise energia transporditava vedeliku energiaks, tõstes selle survet. Rõhkude vahe torus ja pumbas on vedeliku liikumapanevaks jõuks.
Dünaamilised pumbad – labapumbad, jugapumbad, õhktõstuk
Mahtpumbad – 1)edasi tagasi liikuva tööorganiga kolb -, membraan - ja vibropumbad
2) pöörleva tööorganiga rootorpumbad ( hammasratas , kruvi jt pumbad)
pumba tõstekõrgus – pumba tõstekõrgus H (m) iseloomustab erienergiat, mille pump pumbatavale vedelikule annab. Ehk siis pumba tõstekõrgus võrdub pumbast väljuva Es ja pumpa siseneva Ei vedeliku erienegia vahega.
H=Es-Ei
Pumba tõstekõrgus määratakse Bernoulli valemi abil. See näitab kõrgust, kuhu võib tõsta 1kg pumbatavat vedelikku pumbalt saadud erienergia arvel. Seetõttu pumba tõstekõrgus ei sõltu vedeliku tihedusest
Pumba imemiskõrgus – vedeliku imemine pumpa toimub rõhkude vahe tõttu imemisruumis ja pumbas. Imemiskõrgus suureneb rõhu suurenedes imemisruumis ja väheneb rõhu suurenedes imemistorus vedeliku sisenemisel pumpa, vedeliku kiiruse suurenedes imemistorus ja kadude hi,k suurenedes imemistorus.
Pumba kasulik võimsus – sõltub pumba tootlikkusest, pumbatava vedeliku tihedusest ja tõstekõrgusest
N=QHg
Pumba kasutegur – kasutliku võimsuse suhet pumba koguvõimsusesse nimetatakse pumba täiskasuteguriks
Hüdrauliline löök – hüdrauliliseks löögiks nimetatakse surve järsku muutumist survetorustikus, mille toob kaasa voolukiiruse äkiline muutmine
Kavitatsioon – kavitatsioon on vedeliku homogeensuse katkemine e vedelikku tekivad tühimikud rõhu järsu langetamise tulemusena
Sifoon – sifoon on kõver torustik või toru, mille abil juhitakse vedelikku üle takistuse kõrgemalt tasandilt madalamale.
Kelmeline voolamine – voolamine, mida kasutatakse peamiselt keemiatööstuses, kus vedelik voolab mööda pinda õhukese kelmena. Kelmelisel voolamisel on kolm reziimi :

laminaarne voolamine – sileda vedelik – gaas eraldupinnaga

laineline laminaarne – lainelise vedelik – gaas eraldupinnaga

turbulentne voolamine
Keevkiht - selleks, et viia peeneteraline materjal hõljuvasse olekusse e. keevakihti, on vaja selle materjali kihist läbi juhtida gaasi kiirusega, mille puhul kihi takistus õhu voole on võrdne kihi kaaluga pinnaühiku kohta. Gaasi kiirust, mille juures materjali kiht läheb hõljuvasse olekusse, nimetatakse kriitiliseks kiiruseks. Kriitilisel kiirusel suureneb kihi maht, peeneteralised osakesed omandavad võime üksteise suhtes liikuda ning hakkavad “keema” ja voolama sarnaselt vedelikega.
Reziimid: 1) liikumatu reziim – gaasi kiirus väike, osakeste kihti iseloomustavad suurused ei muutu
2) keevkihi reziim – kui kaasi kiirus ületab kriitilise piiri, hakkavab kihi poorsus ja kõrgus suurenema, kiht läheb üle keevasse olekusse. St et osakesed paiknevad kihis pidevalt aktiivselt ümber. Kui kiirust veel suurendada, suurenevad poorsus ja kõrgus veelgi kuni saavutatakse uus kriitiline piir
3) kaasakandereziim – toimub pneumotransport, e gaasi liikumiskiirus muutub nii suureks, et see hakkab osakesi minema kandma
Segamise meetodid:

mehhaaniline segamine – kasutatakse erineva konstruktsiooniga segisteid
Üldiselt segatakse vedelikke vertikaalsetes silindrites v tankides, mis võivad olla pealt nii avatud kui suletud. Proportsioonid võivad olla erinevad, sõltuvad segamise ülesandest

pneumaatiline segamine – kasutatakse suruõhku või inertgaasi

ringlussegamine – kasutatakse düüse ja pumpasid

staatiline segamine – kasutatakse vedeliku läbipumpamist spetsiaalsetest suunavate elementidega seadmetest
segistite tüübid:

labasegistid

propellersegistid

turbiinsegistid
voolukuju segamisel – sõltub impelleri tüübist, vedeliku omadusest, tanki , peegeldite ja segaja suurusest ja proportsioonidest. Vedeliku kiirusel suvalises vedeliku punktis segamistankis on kolm komponenti:

radiaalne, suunatud perpendikulaarselt impelleri võlliga

teljesuunaline, paralleelne võlliga

tangentsiaalne e rotatsiooniline, võlli ümber toimuva ringliikumise puutuja suunaline
Kaks esimest on kasulikud ja tagavad efektiivse segamise
Segamiseks vajaliku võimsuse leidmine – hüdrodünaamilist reziimi hinnatakse Re arvuga.
Vajalik võimsus leitakse võimsusteguri kaudu
, mis sõltub Re arvust ja segisti geomeetriast Kn=f(Re, G)
Pneumaatiline segamine – kasutatakse suruõhku või inertgaasi mille barboteerimisel läbi vedeliku vedelikukihid segunevad. Kasutatakse reaktsioonisüsteemides
Ringlussegamine – segamiseks kasutatakse düüse ja pumpasid. Kasutatakse suspensioonide ja emulsioonide valmistamisel
Staatiline segamine – kasutatakse vedeliku pumpamist spets suunavate elementidega või diafragmadega torudest või seadmetest