Keemiatehnika põhieksami kordamisküsimused (0)

1    1.  SEGAMINE  ❖  Mis on segamise eesmärgid? Milliseid meetodeid on võimalik kasutada vedelike segamiseks?   Segamise eesmärgid:   •  tahkete osakeste ühtlane jaotamine vedeliku mahus (suspensioonide saamine),   •  vedeliku (või gaasi) osakeste ühtlane jaotamine ja selle osakeste vähendamine kuni etteantud mõõtmeteni  teises vedelikus (emulsioonide saamine, aereerimine),   •  soojusvahetuse (töödeldavate ainete soojendamise või jahutamise) intensiivistamine,   •  massivahetuse intensiivistamine (lahustamisel jne).   Segamise meetodid:   •  Mehaaniline segamine – kasutatakse erinevate konstruktsioonidega segisteid. 
•  Pneumaatiline segamine – kasutatakse suruõhku või inertgaasi. Kasutatakse suruõhku või inertgaasi,  mille barboteerimisel läbi vedeliku vedelikukihid segunevad. Kasutatakse reaktsioonisüsteemides.   •  Ringlussegamine – kasutatakse düüse ja pumpasid.  
•  Staatiline  segamine  –  kasutatakse  vedeliku  läbipumpamist  spetsiaalsetest  suunavate  elementidega  seadmetest.   ❖  Segistitega  vedeliku  segamisel  võib  tekkida  vedeliku  ringliikumine  ümber  võlli  ja  tekitab  vedeliku  keerise, lehtri. Miks on see ebasoovitav nähtus? Mida teha selle vältimiseks?  Voolukuju  segamisel  sõltub  impelleri  tüübist,  vedeliku  omadustest,  tanki,  peegeldite  ja  segaja  suurusest  ja 
proportsioonidest. Vedeliku kiirusel suvalises vedeliku punktis segamistankis on kolm komponenti:   •  radiaalne, suunatud perpendikulaarselt impelleri võlliga,  
•  teljesuunaline (pikisuunaline), paralleelne võlliga,  
•  tangentsiaalne e rotatsiooniline, võlli ümber toimuva ringliikumise puutuja suunaline.   Kaks esimest kasulikud ja tagavad efektiivse segamise.  Kui võll on vertikaalne ja anuma tsentris, siis tangentsiaalne liikumine 
on  ebasoovitav:  põhjustab  vedeliku  ringliikumist  ümber  võlli  ja 
tekitab  vedeliku  keerise,  lehtri.  Kui  segamisseadmes  on  liiga  palju 
vedelikku, siis see võib sealt väljuda, ei segune.  Vedeliku lehtri tekkimise vältimiseks on järgmised viisid:   •  peegeldite kasutamine,   •  segisti viimine tsentrist välja või asetamine kaldu.    ❖  Millest sõltub mehaanilise segisti võimsus? (võrrand 4.8) 
Vajalik võimsus leitakse võimsusteguri kaudu:  𝑲𝑵 = 𝑵 𝝆𝒏𝟑𝑫𝟓   𝑛 - on ringkiirus, p/s; 
𝐷 – impelleri diameeter; 
𝜌 - keskkonna tihedus.   
Võimsustegur sõltub Re arvust ja segisti geomeetriast:  𝑲𝑵 = 𝒇(𝑹𝒆, 𝚪).  2.  KEEVKIHT  ❖  Millised on hüdrodünaamilised režiimid fluidumi voolamisel läbi tahkete osakeste kihi?  Joonisel on esitatud kolm põhilist tahketest osakestest koosneva kihi olekut sõltuvalt seda läbivast gaasi 
kiirusest. 


2    a)  liikumatu  (filtreeriv)  kihi  režiim;  gaasi  kiirus  mõõdukas, kihti iseloomustavad näitajad ei muutu 
gaasi kiiruse suurenemisel;   b)  keevkihi  režiim;  kui  gaasi  kiirus  ületab  mingi  kriitilise  väärtuse,  kihi  poorsus  ja  kõrgus 
hakkavad suurenema kiht muutub voolavaks ning 
läheb üle keevkihi olekusse.     Tahked  osakesed  paiknevad  kihis  kõikides  suundades  intensiivselt  ümber.  Kiiruse  edasisel  suurenemisel 
poorsus ja kõrgus suurenevad kuni kiirus saavutab uue kriitilise väärtuse;  
c)  kaasakande režiim; toimub osakeste pneumotransport koos gaasi vooluga.   ❖  Mida nimetatakse keevkihiks, kus kasutatakse?  
Keevkiht on puistematerjali kiht, milles tahked osakesed hõljuvad kihti läbiva fluidumi kineetilise energia 
mõjul. Tahkete osakeste suurus on vahemikus 1 μm kuni 6 cm.   Keevkihti  kasutatakse  puistematerjalide  transpordil  ja  segamisel,  tahke  kütuse  põletamisel,  soojusvahetus-, 
kuivatus- ja adsorptsiooniprotsessis, katalüütilistes protsessides.   Keevkihti iseloomustab kihi kõrgus, kihi poorsus ja gaasi liikumise kiirus.  ❖  Mis on fiktiivne kiirus?  Gaasi kiirus e fiktiivne kiirus  𝒖𝟎 Gaasi tegelikku kiirust tahkete osakeste vaheliste kanalites on raske määrata,  seetõttu kasutatakse kiirust, mis on mahtkulu suhe kihi ristlõikepinna pindalasse:  𝒖𝟎 = 𝚯
𝑨   𝑢0  -  on  kiirus  tühja  kolonni  (või  seadme) 
ristlõikepinna või vaba rõhtpinna kohta. 
𝑢 on keskmine kiirus kihis.    ❖  Keevkihi tekkimine, gaasi kriitiline ja kaasakandekiirus?  Keevkiht tekib kui kihi takistus saab võrdseks kihi raskusjõuga pinnaühiku kohta.   Keevkihi- ja kaasakandekiirus - soovitatav on määrata katseliselt. Kriitilise kiiruse juures tekib keevkiht ja 
kaasakande kiiruse juures tekib osakeste kaasakanne gaasiga.  Arvutuslikult saab nii keevkihi kui ka kaasakandekiiruse leida Re väärtuse kaudu:  𝑹𝒆 = 𝒖𝟎 ∙ 𝒅 ∙ 𝝆 𝝁   𝑢0 - gaasi fiktiivne kiirus (mahtkulu jagatud kolonni ristlõikepindalaga); 
𝑑  –  kihi  osakese  mõõt  (sellise  kera  diameeter,  mille  ruumala  võrdub  kihi  osakese 
ruumalaga); 
𝜌 ja 𝜇 - keskkonna tihedus ja viskoossus.  𝒖𝒌𝒓 = 𝝁𝑹𝒆 𝒅 ∙ 𝝆     ❖  Kuidas mõõdetakse kihi takistust? 
Kihi takistust mõõdetakse rõhkude vahega enne ja pärast kihti. Pa  
Raskusjõuga pinnaühiku kohta N/m2 e Pa.  ❖  Kuidas muutub kihi takistus fluidumi kiiruse suurenemisel? 
Takistus suureneb fluidumi voolukiirusega.   ❖  Millistel tingimustel keevkiht tekib? (Joonis 4.2 - keevkihi takistuse sõltuvus õhu fiktiivsest kiirusest.  Osata selgitada, kuidas jooniselt kriitiline kiirus leitakse) 


3    Kiiruse  suurenemisel  takistus  (Δp)  suureneb, 
kuna takistus tekib ainult siis kui fluidum voolab. 
Ja  mida  suurem  on  kiirus,  seda  suurem  on 
takistus. 
Kui  takistus  saab  võrdseks  kihi  kaaluga 
pinnaühiku  kohta,  siis  tekib  keevkiht  ja  kiirust 
nimetatakse kriitiliseks kiiruseks.  Kuidas kiht ise käitub? 
Niikaua kui meil on esimene režiim – liikumatu 
kihi, siis kihi kõrgus praktiliselt ei muutu. Kui on 
keevkiht, siis kihikõrgus hakkab muutuma, kuna 
õhu  liikumise  tõttu  osakesed  eemalduvad 
üksteisest ja vaba maht suureneb.     Miks takistus ei suurene? 
Kiirus suureneb aga takistus ei suurene, kuna vaba maht suureneb.  ∆𝑃ℎõõ𝑟𝑑𝑒 = 𝜆 𝑙 𝑑 ∙ 𝑢2 2𝑔 ⇒ 𝐾𝑢𝑖 𝑢 ↑, 𝑠𝑖𝑖𝑠 𝑘𝑎 𝑑 ↑  Kiiruse kasv viib rõhu kasvuni  𝑢 ↑= ∆𝑝 ↑, kuid vaba mahu osa suurenemine viib rõhu vähenemiseni 𝑑 ↑= ∆𝑝 ↓.  Seetõttu rõhk ei suurene kui kiirus suureneb.  3.  HÜDROMEHAANILISED SEPAREERIMISPROTSESSID  ❖  Milliste põhioperatsioonidega on võimalik lahutada suspensioone? Esitage nende põhioperatsioonide  lühiiseloomustus (3 operatsiooni).  Vedelik tahkeid segusid on võimalik lahutada raskusjõutoimel settimisega, rõhkude vahe kaudu filtreerimisel ning 
tsentrifugaaljõudude kaudu sadenemise ja filtrimisega.  Filtrimine on mehaaniline põhioperatsioon tahkete osakeste eraldamiseks fluidumist, mida teostatakse vedeliku 
juhtimisega läbi poorse filtriva keskkonna (filtri).  Settimisel lastakse tahketel osadel anuma põhja vajuda ning selle pealt eemaldatakse supernatant.  Sadenemine on heterogeensete süsteemide lahutamine raskusjõu toimel.  ❖  Milliste operatsioonidega on võimalik puhastada gaase? Iseloomustage neid meetodeid. 
Gaase on võimalik puhastada sadestamisega.  ❖  Võrrelda  gravitatsioonilist  ja  tsentrifugaalsadenemist.  (Liikumapanev  jõud,  eraldusfaktor,  milliseid  segusid on võimalik lahutada).    Gravitatsiooniline  Tsentrifugaal  Liikumapanev jõud  Gravitatsioonijõud  Tsentrifugaaljõud  Eraldusfaktor      Milliseid seguseid on 
võimalik lahutada  Gaas-tahke, vedelik-
tahke  Gaas-tahke, vedelik-tahke 
Kui  osakeste  tihedus  on  lähedane  keskkonna  tihedusele  ja 
osakeste läbimõõt on väiksem kui 5m. Selliseid osakesi saab 
eraldada  emulsioonidest  või  suspensioonidest  tsentrifugaaljõu 
väljas  ❖  Miks  tsentrifugaalsadestamisel  on  võimalik  eraldada  gaasivoolust  väiksemaid  osakesi  kui  gravitatsioonilisel sadestamisel?  Kuna tsentrifugaaljõud on kümneid kordi suurem.  ❖  Filtrimine.  Operatsiooni  põhimõte.  Kasutusvaldkond.  Filtrimise  võrrand.  Liikumapanev  jõud,  selle  tekitamine. Võrrelda pind- ja mahtfiltrimist.  Filtrimine on mehaaniline põhioperatsioon tahkete osakeste eraldamiseks fluidumist, mida teostatakse vedeliku 
juhtimisega  läbi  poorse  filtriva  keskkonna  (filtri).  Kasutatakse  nii  vedelik-tahke  kui  ka  gaas-tahke  süsteemide 
separeerimiseks. 


4    Filtrimise liikumapanevaks jõuks on rõhkude vahe Δp enne filterpinda suspensioonis ja peale filterpinda. Rõhkude 
vahe tõttu toimub vedeliku voolamine läbi filtri ja selle hüdraulilise takistuse ületamine.  Rõhkude vahet saab tekitada järgmistel viisidel:   •  suspensiooni kihiga (gravitatsioonifiltrid),  
•  rõhuga suspensioonis (vedeliku pumpamine),  
•  alarõhuga peale filterpinda,  
•  ülerõhu tekitamisega suspensiooni kohal,  
•  tsentrifugaaljõudega (tsentrigugaalfiltrites).  Filtrimise võrrand:  𝒅𝑽 𝒅𝝉 = ∆𝒑 𝑹   𝒅𝑽 𝒅𝝉 = ∆𝒑 𝝁(𝑹𝒇𝒌 + 𝑹𝒇𝒑)     𝑑𝑉 – on aja d jooksul 1 m2 filterpinna kohta saadud filtraadi hulk,𝑚3 𝑚2 ⁄ ;  𝑑𝑉 𝑑𝜏  – filtrimise kiirus,  𝑚3 (𝑚2 ∙ 𝑠) ⁄ ;  ∆𝑝 – protsessi liikumapanev jõud, Pa; 
𝑅 – filtrimise takistus, (𝑁 ∙ 𝑠) 𝑚3 ⁄ ;  𝑅𝑓𝑘, 𝑅𝑓𝑝 – filterkoogi ja filterpinna takistus, m -1;  𝜇 – filtraadi dünaamiline viskoossuskoefitsent 𝑃𝑎 ∙ 𝑠.  Filtreerimise meetodid (mehhanismi järgi):  •  Pindfiltrimine e kookfiltrimine – vedelik läbib järjest 2  takistavat kihti – filterkoogi ja filterpinna.  •  Mahtfiltrimine  e  sisemine  filtrimine  -  eraldatakse  väikesi tahke aine koguseid vedelikest. Tahked osakesed 
eraldatakse  ja  immobiliseeritakse  filterkeskkonna  poorides pinnajõudude toimel. Selle tulemusel filterpinna 
pooride diameeter väheneb.    ❖  Mis on filtrimise kiirus? Millest filtrimise kiirus sõltub? Miks pindfiltrimisel konstantse rõhu juures  filtrimise kiirus väheneb? Kuidas viia läbi filtrimist nii, et filtrimise kiirus oleks konstantne?   Filtrimise kiirus on võrdeline liikumapaneva jõuga ja pöördvõrdeline filtrimise takistusega:  𝒅𝑽 𝒅𝝉 = ∆𝒑 𝑹     𝑑𝑉 – on aja d jooksul 1 m2 filterpinna kohta saadud filtraadi hulk,𝑚3 𝑚2 ⁄ ;  𝑑𝑉 𝑑𝜏  – filtrimise kiirus,  𝑚3 (𝑚2 ∙ 𝑠) ⁄ ;  ∆𝑝 – protsessi liikumapanev jõud, Pa; 
𝑅 – filtrimise takistus, (𝑁 ∙ 𝑠) 𝑚3 ⁄ .  Pindfiltrimisel  konstantsel  rõhul  filtrimise  kiirus  väheneb,  kuna  filterkoogi  paksenemise  tõttu  selle  takistus 
suureneb, lisaks võib ka filterpinna poorides tekkida ummistused. Selleks, et kiirus oleks konstantne tuleb pidevalt 
filterkooki eemaldada ning filterpinda puhastada ummistuste vältimiseks. Või suurendada rõhkude vahet.  4.  SOOJUSLEVI  ❖  Millised on soojuse levi protsessid mehhanismi järgi? Iseloomustage neid ja esitage näiteid. 
Oma mehhanismi järgi soojusleviprotsesse saab jaotada järgmiselt:   Soojusjuhtivuse  e  konduktsiooni  korral  soojusenergia  levib  aine  mikroosakeste 
soojusliikumiste tulemusena, kus mikroosakesed liikumisel puutuvad pidevalt kokku.  
Osakeste  vaheliste  interaktsioonide  tulemusena  toimub  energia  ülekanne  suurema 
energiaga  osakestelt  väiksema  energiaga  osakestele.  Seega  soojuse  levi  toimub  aine 
mikroosakeste  soojusliikumise  tulemusel  s.o  kineetilise  energia  ülekandmisega  ühelt 
osakeselt teisele. 
Gaaside või vedelike korral toimub molekulide liikumine, tahkete kehade korral toimub 
kristallvõre võnkumine, metallides – vabade elektronide liikumine.   Soojusjuhtivus on peamine soojuslevi mehhanism tahketes kehades.   


5    Soojusülekanne  e  konvektsioon  toimub  gaasides  ja  vedelikes  makroskoopiliste  osade 
liikumisel, kusjuures kõrgema temperatuuriga osad segunevad madalama temperatuuriga 
osadega  andes  samal  ajal  nendele  üle  soojuse.  Sellisel  moel  toimub  ka  soojusvahetus 
fluidumi ja tahkete kehade vahel.  Briiside  tekkimine,  keetmine,  vereringlus,  õhukonditsioneer,  radiaator,  külmkapp, 
kuumaõhupall.    Soojuskiirgus on soojuse ülekanne ühelt kehalt teisele soojus- e infrapunakiirgusena, mis 
kujutab  endast  elektromagnetkiirguse  liiki.  Erinevalt  teistest  soojusvahetuse  liikidest  ei 
vaja  soojuskiirgus  oma  toimumise  jaoks  füüsikalist  keskkonda,  vaid  saab  toimuda  ka 
vaakuumis. Näiteks, sellisel viisil saavad Maa ja teised planeedid soojust Päikese käest.    ❖  Millist protsessi nimetatakse soojusjuhtivuseks. Soojusjuhtivuse mehhanism.   Soojusjuhtivuse  e  konduktsiooni  korral  soojusenergia  levib  aine  mikroosakeste 
soojusliikumiste tulemusena, kus mikroosakesed liikumisel puutuvad pidevalt kokku.  
Osakeste  vaheliste  interaktsioonide  tulemusena  toimub  energia  ülekanne  suurema 
energiaga  osakestelt  väiksema  energiaga  osakestele.  Seega  soojuse  levi  toimub  aine 
mikroosakeste  soojusliikumise  tulemusel  s.o  kineetilise  energia  ülekandmisega  ühelt 
osakeselt teisele. 
Gaaside või vedelike korral toimub molekulide liikumine, tahkete kehade korral toimub 
kristallvõre võnkumine, metallides – vabade elektronide liikumine.   Soojusjuhtivus on peamine soojuslevi mehhanism tahketes kehades.    ❖  Soojusjuhtivuse  liikumapanev  jõud,  soojusjuhtivuse  võrrand  statsionaarses  režiimis  töötavale  soojusvahetile.  Soojuslevi (soojusvahetuse) liikumapanevaks jõuks on kahe keha (soojuskandja) temperatuuride vahe T1-T2.  Statsionaarse soojusjuhtivuse korral ühemõõtmelise seina (või liikumatu fluidumi kihi) jaoks, on kineetikavõrrand 
järgmine:  𝒅𝒒 𝒅𝑨 = −𝒌 𝒅𝑻
𝒅𝒏   𝑞 – soojuse kulu (soojusvoo kiirus), J/s; 
𝐴 – isotermilise pinna pindala, m2; 
𝑇 – temperatuur, K; 
𝑛 – normaalisuunaline kaugus pinnast, m; 
𝑘 – soojusjuhtivustegur, W/(m*K)  𝑞
𝐴  – soojusvoog, W/ m2;  𝑑𝑇
𝑑𝑛  – temperatuuri gradient n suunas.    “-“ märk näitab, et kui antud suunas on soojusvoog positiivne, siis temperatuur selles suunas väheneb.  ❖  Soojusjuhtivusedetegur, ühik. Millest sõltub soojusjuhtivuseteguri väärtus?  Soojusjuhtivustegur  k  [ 𝐽 𝑚∙𝑠∙𝐾 = 𝑊 𝑚∙𝐾 ]  näitab,  kui  suur  hulk  soojust  kantakse  ajaühikus  läbi  ühikulise  soojusvahetuspinna  ühikulise  temperatuurigradiendi  korral.  Soojusjuhtivustegur  k  on  nn  materjali 
ülekandeomadus ja sõltub ainest, tema struktuurist, temperatuurist.  ❖  Millist protsessi nimetatakse soojusülekandeks.  Soojusülekanne  e  konvektsioon  toimub  gaasides  ja  vedelikes  makroskoopiliste  osade 
liikumisel, kusjuures kõrgema temperatuuriga osad segunevad madalama temperatuuriga 
osadega  andes  samal  ajal  nendele  üle  soojuse.  Sellisel  moel  toimub  ka  soojusvahetus 
fluidumi ja tahkete kehade vahel.  Briiside  tekkimine,  keetmine,  vereringlus,  õhukonditsioneer,  radiaator,  külmkapp, 
kuumaõhupall.   


6    ❖  Soojusülekande mehhanism.  Konvektiivne  soojusülekanne  on  soojusvahetusprotsess,  milles  soojus  levib 
samaaegselt  nii  konvektsiooni  kui  ka  soojusjuhtivuse  teel.  Konvektiivse 
soojusülekande  teel  toimub  soojuse  levi  seinalt  keskkonda  (fluidumisse)  või 
vastupidi – keskkonnalt seinale.    Fluidumi  turbulentsel  voolamisel  on  seina  läheduses  vedeliku  liikumine  laminaarne,  sellele  järgneb 
üleminekutsoon ning seejärel voolu turbulentne tuum.   Laminaarses  kihis  (viskoosses  kihis)  voolu  kiirus  väheneb  seina  suunas,  olles  seina  pinna  juures  null. 
Laminaarse kihis olevas soojuslikus aluskihis toimub soojuse levi põhiliselt soojusjuhtivuse teel.   Voolu  turbulentses  tuumas  on  kiirus  ühtlane,  seal  toimub  soojuse  levi  konvektsiooni  teel.  Konvektiivne 
soojusvahetus on seda intensiivsem, mida turbulentsem on fluidumi liikumine ja mida paremini toimub fluidumi 
osakeste segunemine.   Seega,  konvektsioon  ja  vähesel  määral  toimuv  soojusjuhtivus  annavad  voolu  turbulentses  tuumas  kokku 
konvektiivse soojusülekande protsessi.   Nagu jooniselt on näha, on soojusülekande korral temperatuuriprofiil fluidumis sarnane kiiruse profiiliga.  Selleks, et soojusülekanne toimuks võimalikult intensiivselt, peab soojuslik aluskiht olema võimalikult väike. See 
on saavutatav voolu turbulentsi suurenemisel.  ❖  Soojusülekande  liikumapanev  jõud,  soojusülekande  võrrand  statsionaarses  režiimis  töötavale  soojusvahetile.  Soojusülekande liikumapanevaks jõuks on seina ja keskkonna (fluidumi) temperatuuride vahe  𝑻𝒔𝒆𝒊𝒏 − 𝑻𝒌𝒌.  Juhul, kui soojusülekanne toimub statsionaarses režiimis, omandab võrrand järgmise kuju:  𝒒 = 𝑸 𝝉 = 𝒉𝑨(𝑻𝒔𝒆𝒊𝒏 − 𝑻𝒌𝒌) = 𝒉𝑨∆𝑻  𝑞 – soojuse kulu (soojusvoo kiirus), J/s; 
𝑄 – ülekantav soojushulk, J; 
𝜏 – aeg, s 
ℎ – soojusülekandetegur, W/(m2*K); 
𝐴 – soojusvooga risti asetsev pind, m2; 
𝑇 – temperatuur, K. 
  ❖  Soojusülekandetegur, ühik. Millest sõltub soojusülekandeteguri väärtus?  Soojusülekandetegur  h  [ 𝐽 𝑚2∙𝑠∙𝐾 = 𝑊 𝑚2∙𝐾 ]  näitab,  kui  suur  hulk  soojust  kantakse  ajaühikus  läbi  ühikulise  soojusvahetuspinna  ühikulise  liikumapaneva  jõu  korral.  Soojusülekandetegur  sõltub  keskkonna  hüdrodünaamikast,  keskkonna  omadustest  (viskoossus,  tihedus,  soojusmahtuvus,  soojusjuhtivus,  soojuspaisuvustegur) ning voolu geomeetrilistest parameetritest.  ❖  Kas turbulentsel voolamisel on soojusülekanne parem või halvem kui laminaarsel voolamisel? Miks? 
Turbulentsel voolamisel on soojusülekanne parem kui laminaarsel voolamisel kuna fluidumi osakesed segunevad 
paremini.   ❖  Kuidas on võimalik parandada soojusülekannet? 
Selleks, et soojusülekanne toimuks võimalikult intensiivselt, peab soojuslik aluskiht olema võimalikult väike. See 
on saavutatav voolu turbulentsi suurenemisel.  ❖  Soojusläbikanne.  Soojusläbikande  võrrand  (koos  selgitustega).  Liikumapanev  jõud,  keskmine  liikumapanev jõud.  


7    Soojusläbikanne on soojuse levi ühelt soojuskandjalt (keskkonnalt , fluidumilt) 
teisele  läbi  seina.  See  protsess  koosneb  soojusülekandest  mõlemas 
soojuskandjas ning soojusjuhtivusest seinas. Soojusläbikande liikumispanevaks 
jõuks on kahe fluidumi temperatuuride vahe.    Soojusläbikannet saab matemaatiliselt kirjeldada järgmiselt:  𝒒 = 𝑼(𝑻𝟏 − 𝑻𝟐) = 𝑼 ∙ ∆𝑻  𝑞 – soojuse kulu (soojusvoo kiirus), J/s; 
𝑈 – soojusläbikandetegur, W/(m2*K).  𝒒 = 𝑼 ∙ ∆𝑻 = 𝒉𝟏(𝑻𝟏 − 𝑻𝟏𝑺) = 𝒌
𝜹 (𝑻𝟏𝑺 − 𝑻𝟐𝑺) = 𝒉𝟐(𝑻𝟐𝑺 − 𝑻𝟐)  ℎ1 ja ℎ2 – soojusülekandetegurid, W/(m 2*K);  𝑘 – seina soojusjuhtivustegur, W/(m*K); 
𝛿 – seina paksus, m; 
𝑇1 ja 𝑇2 – keskkondade temperatuurid, K; 
𝑇1𝑆 ja 𝑇2𝑆 –temperatuurid seina pinnal, K.  Selleks, et arvutada soojusläbikannet, tuleb leida keskmine liikumapanev jõud ehk temperatuuride vahe.   ∆𝑻𝟐
∆𝑻𝟏 < 𝟐 ⇛ ∆𝑻𝒌 = ∆𝑻𝟏 + ∆𝑻𝟐 𝟐   ∆𝑻𝟐
∆𝑻𝟏 > 𝟐 ⇛ ∆𝑻𝒌 = ∆𝑻𝟐 − ∆𝑻𝟏 𝐥𝐧 ∆𝑻𝟐 ∆𝑻𝟏   ❖  Soojusläbikandetegur, ühik, millest sõltub ja kuidas arvutatakse.  Soojusläbikandetegur  U  [ 𝐽 𝑚2∙𝑠∙𝐾 = 𝑊 𝑚2∙𝐾 ]  näitab,  kui  suur  hulk  soojust  kantakse  ajaühikus  läbi  ühikulise  soojusvahetuspinna  ühe  keskkonna  seest  teise  keskkonna  sisse  ühikulise  liikumapaneva  jõu  korral. 
Soojusläbikandetegur  sõltub  mõlema  fluidumi  soojusülekandeteguritest  ning  seina  (või  seinte)  soojusjuhtivustegurist ja seina paksusest.  𝑼 = 𝟏 𝟏 𝒉𝟏 + ∑ 𝜹𝒊 𝒌𝒊 𝒏 𝒊=𝟏 + 𝟏 𝒉𝟐   ❖  Millist protsessi nimetatakse aurustamiseks? Mis eesmärgil seda kasutatakse? Mis on primaaraur ja  sekundaaraur?  Aurustamine  on  lahuste  kontsentreerimine  suhteliselt  lenduva  lahusti  väljaaurustamise  teel.  Protsess  toimub 
lahusti keemistemperatuuril aurutusaparaadis oleval rõhul. Aurustamist saab teostada nii selleks, et eemaldada 
liigset  lahustit  ning  kontsentreerida  lahust  või  selleks,  et  saada  puhast  lahustit.  Viimase  näiteks  saab  tuua 
destilleeritud vee tootmist või mageda vee tootmist mereveest.   Aurustamist  mõjutavad  lahuse  kontsentratsioon,  aine  lahustuvus,  aine  temperatuuritundlikkus,  vahutamise 
võimalus, tahke sette teke, muud lahuse omadused, konstruktsioonimaterjalid.  Küttekeha  soojendatakse  kütte-  e  primaarauruga.  Tekkinud  aur  e 
sekundaaraur  eemaldatakse  süsteemist.  Kõige  lihtsamatel  juhtudel 
toimub aurustamine atmosfäärirõhul.    5.  MASSIVAHETUSPROTSESSIDE KINEETIKA  ❖  Millal  (kus)  toimub  massilevi  difusiooni  teel  ja  millal  üheaegselt  molekulaarse  difusiooni  ja  konvektsiooniga?  Liikumatus keskkonnas toimub aine levi ainult molekulaarse difusiooniga.  
Liikuvas keskkonnas toimub aine levi nii molekulaarse difusiooniga kui ka keskkonnaga selle liikumise suunas 
või keskkonna osade liikumisega erinevates suundades. 


8    ❖  Kuidas toimub massilevi liikumatus keskkonnas, kirjeldage mehhanismi? Esitage võrrand massivoo  arvutamiseks liikumatus keskkonnas (võrrand, selgitus, mis tingimustel kehtib, milleks kasutatakse).  Molekulaarne difusioon on individuaalsete molekulide suvalise suunaline liikumine fluidumis, kus molekulid 
liiguvad suurema kontsentratsiooniga alalt madalama kontsentratsiooniga alasse. Molekulid saavad liikuda ainult 
sirgjooneliselt ning oma teel põrkavad kokku teiste molekulidega, pärast mida nad muudavad oma suunda.  Vaatleme  molekulide  difusiooni  statsionaarses,  liikumatus  fluidumis,  kus  liikumapanevaks  jõuks  on 
kontsentratsioonigradient.  Komponendi hulk  𝑑𝐽𝐴𝑧, mis difundeerub aja 𝑑𝜏jooksul läbi difusioonivooga risti asetseva pinna 𝑑𝐴, on võrdeline  kontsentratsioonigradiendiga  𝑑𝑐𝐴 𝑑𝑧 , pinnaga  𝑑𝐴 ja ajaga 𝑑𝜏  𝒅𝑱𝑨𝒛 = −𝑫𝒁𝑩 𝒅𝒄𝑨 𝒅𝒛 𝒅𝑨𝒅𝝉    Üldine Ficki võrrand komponentidest A ja B koosneva binaarse segu jaoks  𝒋𝑨𝒛 = −𝒄𝑫𝑨𝑩 𝒅𝒙𝑨 𝒅𝒛   𝑗𝐴𝑧 - komponendi A molaarne voog suunas z,  𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑚2∙𝑠 ;   𝐷𝐴𝐵 - komponendi A molekulaarne difusioonikoefitsient,  𝑚2 𝑠 ;   𝑐 - komponentide A ja B üldine kontsentratsioon segus,  𝑘𝑚𝑜𝑙(𝐴+𝐵) 𝑚3 ;   𝑥𝐴 - komponendi A kontsentratsioon, moolosades.  Molekulaarse difusiooni liikumapanevaks jõuks on kontsentratsioonigradient  𝑑𝑐𝐴 𝑑𝑧 .  Molekulaarne difusioonikoefitsient  𝐷𝐴𝐵 [ 𝑚2 𝑠 ] näitab, milline hulk ainet difundeerub ajaühikus läbi pinnaühiku  ühikulise  kontsentratsioonigradiendi  korral.  𝐷𝐴  sõltub  difundeeruva  aine  omadustest,  difusioonikeskkonna  omadustest, T ja P-st. Kujutab endast füüsikalist konstanti, mis iseloomustab aine võimet läbida difusiooni teel 
liikumatut keskkonda.   ❖  Mis määrab massiläbikandeprotsessi liikumapaneva jõu ning aine voo suuna?  
Massiläbikande liikumapanev jõud on tasakaalulise ja tegeliku kontsentratsiooni vahe.  ❖  Millist protsessi nimetatakse massiülekandeks? Esitage massilülekandevõrrand. Liikumapanev jõud.  Millest sõltub massiülekandeteguri väärtus? Kuidas parandada (s.o teha kiiremaks) massiülekannet?   Konvektiivne massiülekanne - summaarne aine ülekanne liikuvas keskkonnas (ühe faasi piirides)   Massiülekande mehhanism   Massiülekande protsess on seotud turbulentse voo 
struktuuriga faasis   •  turbulentne  tuum,  massiülekanne  turbulentsi  tõttu  (tekivad  kiiruse  pulsatsioonid,  mille  tulemusel  toimub 
samaaegselt  voo  üldise  liikumisega  osakeste  liikumise  kõikides  suundades, 
sealhulgas risti voo suunaga;   •  üleminekutsoon,  toimub  turbulentsi  vaibumine;  •  laminaarne  piirkiht,  massiülekanne  molekulaarse difusiooni tõttu.   NB!  Kontsentratsiooni  muutumine  piirpinna 
läheduses suurem. Massiülekanne on intensiivsem, 
mida  väiksem  on  piirkihi  paksus  st  mida 
turbulentsem on faasi tuum.    Massiülekande kiirus (massivoog) on võrdeline liikumapaneva jõuga s.o kontsentratsioonide vahega piirpinnal ja 
faasi tuumas. Massiülekandevõrrandid: 


9    𝑵𝑨𝑳 = 𝒌𝑫𝑳(𝒄𝑳𝑰 − 𝒄𝑳)  𝑵𝑨𝑮 = 𝒌𝑫𝑮(𝒄𝑮 − 𝒄𝑮𝑰)  𝑁𝐴𝐿, 𝑁𝐴𝐺 - komponendi molaarsed vood vedel- ja gaasifaasis,  𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑚2∙𝑠 ;  𝑘𝐷𝐿, 𝑘𝐷𝐺 - massiülekandetegur vedel- ja gaasifaasis, m/s; 
𝑐𝐿𝐼, 𝑐𝐺𝐼 - komponendi kontsentratsioonid faaside piirpinnal,  𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑚3 ;  𝑐𝐿, 𝑐𝐺 - komponendi kontsentratsioonid vedel- ja gaasifaasi tuumas,  𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑚3 .   Massiülekandetegur:  𝒌𝑫𝑳 = 𝑫𝑨𝑩 𝜹   𝑘𝐷 - massiülekandetegur vedelfaasis, m/s; 
𝛿 - kelme paksus, m;  𝐷𝐴𝐵 - komponendi A molekulaarne difusioonikoefitsient,  𝑚2 𝑠 .  Massiülekandetegur  𝑘𝐷 sõltub   •  faasi hüdrodünaamikast,  
•  faasi (fluidumi) omadustest,  
•  geomeetrilistest parameetritest.  ❖  Millist protsessi nimetatakse massiläbikandeks? Esitage massiläbikandevõrrand. Liikumapanev jõud.  Millest sõltub massiläbikandeteguri väärtus? Kuidas parandada (s.o teha kiiremaks) massiläbikannet?   Massiläbikanne – aine ülekanne ühest faasist teise 
läbi faaside piirpinna. (Aine levi ühe faasi tuumast 
läbi piirpinna teise faasi tuuma). 
    Aine massivool läbi piirpinna:  𝑵𝑨 = 𝑲𝑮𝑨(𝒄𝑮 − 𝒄𝑮 ∗ ) = 𝑲 𝑳𝑨(𝒄𝑳 ∗ − 𝒄 𝑳)  𝑁𝐴 - aine massivool läbi piirpinna,  𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑚2∙𝑠 ;  𝐾𝐿, 𝐾𝐺 - massiläbikandetegur vedel- ja gaasifaasis, m/s; 
𝐴 – massiläbikandepind, 𝑚2;   𝑐𝐿 ∗, 𝑐 𝐺 ∗  - aine tasakaalne kontsentratsioon gaasi ja vedelfaasis,  𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑚3 ;  𝑐𝐿, 𝑐𝐺 - komponendi kontsentratsioonid vedel- ja gaasifaasi tuumas,  𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑚3 .   Massiläbikandevõrrand väljendatuna mahu kohta:  𝑵𝑨 = 𝒌𝑳𝒂(𝒄𝑳 ∗ − 𝒄 𝑳) ∙ 𝑽𝑳  𝑁𝐴 - aine massivool läbi piirpinna,  𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑚2∙𝑠 ;  𝑘𝐿 - massiülekandetegur vedelfaasis, m/s; 
𝑎 – massiläbikande eripind,  𝑚2
𝑚3 ;   𝑘𝐿𝑎 - massiläbikandekoefitsient mahu kohta; 
𝑐𝐿 ∗ - aine tasakaalne kontsentratsioon vedelfaasis,  𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑚3 ;  𝑐𝐿 - komponendi kontsentratsioonid vedelfaasi tuumas,  𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑚3 ;  𝑉𝐿 – vedelfaasi maht, 𝑚 3.  Miks?  Massivahetusaparaatides  on  sageli  faasidevahelist  piirpinda  või  kontaktpinda  raske  määrata.  Näiteks: 
reaalne kontaktpind barbotaažaparaatides – piiskade, mullide, vahu pind, täidiskolonnides - täidise geomeetrilise 


10    pinna  see  osa,  mida  vedelik  märgab.  Seetõttu  kasutatakse  massiülekande-  ja  massiläbikandetegureid,  mis  on 
seotud aparaadi mahuga  𝑉. Aparaadi maht on seotud faaside erikontaktpinnaga järgmiselt:  𝑽 = 𝑨
𝒂   𝑉 – aparaadi maht, 𝑚3; 
𝐴 – massiläbikandepind, 𝑚2;   𝑎 – massiläbikande eripind,  𝑚2
𝑚3 .   Täidiskolonnides on erikontaktpinnaks täidise eripind s.o 1  𝑚3 täidise elementide geomeetriline pindala,   𝑚2
𝑚3 .  Massiläbikandetegur   𝐾 [ 𝑚 𝑠 ]  on  kineetikategur,  mis  näitab,  kui  suur  hulk  ainet  läheb  ühest  faasist  teise  faasi  ajaühikus  läbi  ühikulise  faasidevahelise  piirpinna  (või  ruumalaühikus)  ühikulise  liikumapaneva  jõu  korral. 
Massiläbikandetegur  sõltub  mõlema  faasi  hüdrodünaamilisest  režiimist,  faaside  omadustest,  geomeetrilistest 
parameetritest ja - faasidevahelisest tasakaalust.  Massiläbikandeteguri sõltuvus massiülekandeteguritest:  𝟏 𝑲𝑮 = 𝟏 𝒌𝑮 + 𝒎 𝒌𝑳   𝟏 𝑲𝑳 = 𝟏 𝒌𝑳 + 𝟏 𝒎𝒌𝑮   𝒎 = 𝒄𝑮 ∗ 𝒄𝑳   𝑘𝐿, 𝑘𝐺 - massiülekandetegur vedel- ja gaasifaasis, m/s; 
𝐾𝐿, 𝐾𝐺 - massiläbikandetegur vedel- ja gaasifaasis, m/s; 
𝑚 – tasakaalukonstant 
𝑐𝐺 ∗  - aine tasakaalne kontsentratsioon gaasifaasis,  𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑚3 ;  𝑐𝐿 - komponendi kontsentratsioonid vedelfaasi tuumas,  𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑚3 .   ❖  Kuidas arvutatakse massiläbikande liikumapanevat jõudu? 
Kui tasakaalujoon on lineaarne st  𝒚∗ = 𝒎𝒙, siis arvutatakse massiläbikande keskmist liikumapanevat jõudu sama  moodi nagu soojusläbikande keskmist liikumapanevat jõudu.  ∆𝒚𝟐
∆𝒚𝟏 < 𝟐 ⇛ ∆𝒚𝒌 = ∆𝒚𝟏 + ∆𝒚𝟐 𝟐   ∆𝒚𝟐
∆𝒚𝟏 > 𝟐 ⇛ ∆𝒚𝒌 = ∆𝒚𝟐 − ∆𝒚𝟏 𝐥𝐧 ∆𝒚𝟐 ∆𝒚𝟏     ❖  Miks on massivahetusseadmetes vajalik mitmekordne faaside kontakt? 
Selleks, et ühest faasist rohkem ainet teise faasi üle kanda, võib faasidevahelist kontakti korrata.  6.  DESTILLATSIOON JA REKTIFIKATSIOON   ❖  Millist protsessi nimetatakse lihtdestillatsiooniks? Mis eesmärgil kasutatakse ja kuidas läbi viiakse?  Lihtdestillatsioon  viiakse  läbi  järgmiselt:  kolvis  olevat  vedelikku  kuumutatakse,  vedeliku 
keemisel eralduvad aurud eemaldatakse pidevalt ja kondenseeritakse.  
Aurude kondensaat – destillaat kogutakse.    Destillaadis  on  vastavalt  tasakaalule  kergemini  lenduvat  komponenti  rohkem  kui  kolvijäägis.  Protsessi  käigus 
kergemini lenduva komponendi kontsentratsioon kolvijäägis väheneb, koos sellega muutub ka destillaadi koostis. 
Sellega  seoses  võib  protsessi  käigus  koguda  erinevaid  destillaadi  fraktsioone,  millel  on  erinev  koostis.  Sellist 
lihtdestillatsiooni nimetatakse fraktsioneerivaks destillatsiooniks.  ❖  Millist  operatsiooni  nimetatakse  rektifikatsiooniks?  Milliseid  segusid  on  võimalik  lahutada  rektifikatsiooniga?  Kuidas  viiakse  rektifikatsiooni  läbi?  Rektifikatsiooni  läbiviimisel  kasutatakse 
flegmat. Mis on flegma? Miks on flegma vajalik?  Rektifikatsioon e mitmeastmeline tagasijooksuga destillatsioon – põhioperatsioon homogeensete vedeliksegude 
lahutamiseks, mis põhineb segus komponentide erinevatel lenduvustel. Protsessis toimub mitmekordne tasakaalus 
mitte oleva ja üksteise suhtes liikuva auru- ja vedelfaasi kontakt. Faaside vastastikuse toime tulemusena toimub 
soojus- ja massivahetus, mille põhjustab süsteemi muutumine tasakaalu suunas. Protsess toimub kasutades osalist 
tagasijooksu ehk flegmat. Tulemusena saadakse tipuprodukt-destillaat ja põhjaprodukt – jääk.  Aurud, mis tekivad kolvis vedeliku keemisel, tõusevad üles piki destillatsioonikolonni ning jahtuvad osaliselt. 
Kondenseerub  peamiselt  raskemini  lenduv  komponent.  Kolonnis  puutub  allavoolav  vedelik  (flegma)  kokku 


11    ülesliikuvate  aurudega,  mis  võtavad  temast  täiendavalt  kaasa  kergesti  lenduva  komponendi.  Samal  ajal  peseb 
vedelik  aurudest  välja  raskemini  lenduvat  komponenti.  Kolonni  peasse  jõuab  rohkem  kergemini  lenduvat 
komponenti sisaldav fraktsioon. Aurud, mis jõuavad jahutisse, kondenseeruvad seal täielikult.   Laboratoorse  rektifikatsioonikolonni  pea  on  ehitatud  nii,  et  jahutist  allavalguvast  vedelikust  on  kraani  abil 
võimalik  destillaadina  vastuvõtunõusse  võtta  (väike)  osa  sellest  ja  (suurem)  osa  jahutis  kondenseerunud 
vedelikust  täiendavalt  saata  tagasijooksuna  (flegmana)  kolonni,  suurendades  sellega  ainete  lahutamise 
efektiivsust.   Flegma ja destillaadi suhet samas ajaühikus nimetatakse flegmaarvuks ehk tagasijooksusuhteks. Seega flegmaarv 
FA on flegma ja rektifikaadi hulga jagatis:  𝐹𝐴 = 𝑓𝑙𝑒𝑔𝑚𝑎 ℎ𝑢𝑙𝑘 𝑟𝑒𝑘𝑡𝑖𝑓𝑖𝑘𝑎𝑎𝑑𝑖 ℎ𝑢𝑙𝑘     ❖  Mida nimetatakse flegmaarvuks? Kuidas mõjutab flegmaarvu muutmine protsessi?  
Kolonni lahutusvõime sõltub flegmaarvust. Mida suurem on flegmaarv, seda parem on lahutusvõime. Flegmaarvu 
valikul arvestatakse ka segukomponentide lahutatavust. Mida raskem on neid lahutada, seda suurem peab olema 
flegmaarv. Segu komponentide head lahutamist näitab kolonni peas temperatuuri järsk tõus, kui kergeminilenduv 
aine on segust välja aetud.  Flegmaarvu vähenedes rektifikatsiooniseadme tootlikkus küll kasvab, aga lahutusvõime halveneb.   Rektifikatsioonikolonni  lahutusvõime  suurendamist  soodustavad  vedel-  ja  aurufaasi  võimalikult  suur 
kokkupuutepind, kontakti kestus ja soojusvahetuse puudumine kolonni ja keskkonna vahel. 
❖  Kuidas viiakse läbi mitmeastmelist destillatsiooni (rektifikatsiooni)? Skitseerige destillatsiooniseade.  Selgitage,  millised  protsessid  toimuvad  kolonnis  taldrikul.  Kuidas  muutub  kergemini  lenduva 
komponendi kontsentratsioon ja vedeliku ning auru temperatuur piki kolonni? Põhjendage.    Keemistemperatuuril toide juhitakse kuupi. Seal tekib taldrikutel vedelik-aur tasakaal, kus aur rikastub kergemini 
lenduva  komponendiga  ja  vedelik  raskemini  lenduva  komponendiga.  Vedelik  liigub  kolonnis  alla,  kuubijäägi 
kogujasse.  Aur  tõuseb  ning  liigub  deflegmaatorisse,  kus  see  kondenseeritakse  ja  osa  juhitakse  tagasi  kolonni, 
garanteerides kolonni ülemistel osadel vedelik-aur tasakaalu. Teine osa liigub deflegmaatorist jahutisse ja seejärel 
destillaadi  kogujasse.  Temperatuur  on  kolonni  allpool  suurem  kui  üleval,  kuna  sisaldab  kõrgema 
keemistemperatuuriga komponente. 
❖  Küsimus:  Oletame,  et  töötate  rektifikatsiooniseadme  operaatorina.  Seadmes  lahutatakse  binaarset  segu pentaan-heksaan, kusjuures pentaani kontsentratsioon tipuproduktis peab olema 99,5%. Järsku 


12    selgub,  et  destillaadi  kontsentratsioon  on  96%. Mida  te  teete  selleks,  et  destillaadi  kontsentratsioon 
oleks nõutav? Miks?  Tule flegma arvu suurendada. Mida suurem on flegmaarv, seda parem on lahutusvõime.  ❖  Tegurid  Tegur  Ühik  Näitab  Sõltub  Soojusjuhtivustegur  k  [ 𝑊 𝑚 ∙ 𝐾 ]  kui  suur  hulk  soojust  kantakse  ajaühikus  läbi 
ühikulise  soojusvahetuspinna  ühikulise  temperatuurigradiendi korral.  ainest, tema struktuurist, 
temperatuurist.  Soojusülekandetegur  h  [ 𝑊 𝑚2 ∙ 𝐾 ]  kui  suur  hulk  soojust  kantakse  ajaühikus  läbi 
ühikulise  soojusvahetuspinna  ühikulise  liikumapaneva jõu korral.  keskkonna 
hüdrodünaamikast, 
keskkonna  omadustest 
ning  voolu  geomeetrilistest 
parameetritest.  Soojusläbikandetegur  U  [ 𝑊 𝑚2 ∙ 𝐾 ]  kui  suur  hulk  soojust  kantakse  ajaühikus  läbi 
ühikulise  soojusvahetuspinna  ühe  keskkonna 
seest  teise  keskkonna  sisse  ühikulise  liikumapaneva jõu korral.  sõltub  mõlema  fluidumi 
soojusülekandeteguritest 
ning  seina  (või  seinte) 
soojusjuhtivustegurist  ja 
seina paksusest.  Molekulaarne  difusioonikoefitsient  𝑫𝑨𝑩  [ 𝑚2 𝑠 ]  milline  hulk  ainet  difundeerub  ajaühikus  läbi 
pinnaühiku  ühikulise  kontsentratsioonigradiendi korral.  difundeeruva  aine  omadustest, 
difusioonikeskkonna 
omadustest, T ja P-st.  Massiülekandetegur  𝒌𝑫  [ 𝑚 𝑠 ]    faasi hüdrodünaamikast, 
faasi  (fluidumi)  omadustest, 
geomeetrilistest 
parameetritest.  Massiläbikandetegur   𝑲  [ 𝑚 𝑠 ]  kui suur hulk ainet läheb ühest faasist teise faasi 
ajaühikus  läbi  ühikulise  faasidevahelise  piirpinna  (või  ruumalaühikus)  ühikulise  liikumapaneva jõu korral.  mõlema  faasi  hüdrodünaamilisest 
režiimist,  faaside  omadustest, 
geomeetrilistest 
parameetritest  ja  -  faasidevahelisest 
tasakaalust.