Aparáty sú výrobné zariadenia, v ktorých prebiehajú fyzikálne, fyzikálno-chemické, alebo biochemické zmeny látok. Na vstupe a výstupe sú najčastejšie

Transcript

1 PROCESNÁ TECHNIKA Prieyselná výroba sa vo väčšine prípadov realizuje zložitýi výrobnýi postupi. Výrobné postupy je ožné rozdeliť na podstatne enšie nožstvo základných procesov, ktoré sú spoločné pre rôzne výrobné postupy. Základné procesy sa vo výrobných postupoch uplatňujú v rôznych kobináciách a za rôznych konkrétnych podienok. Určitá postupnosť základných procesov aplikovaná na určitú vstupnú surovinu vytvára určitý technologický proces. Rozdelenie základných výrobných procesov je vzhľado na ich rozanitosť poerne zložité. Najčastejšie sa základné výrobné procesy rozdeľujú na: echanické - riadia sa zákoni echaniky pevných látok (drvenie, osievanie, iešanie partikulárnych látok). hydroechanické - riadia sa zákoni prenosu hybnosti tekutín (filtrácia, usadzovanie, fluidizácia, iešanie kvapalín). tepelné - riadia sa zákoni výeny tepelnej energie (ohrev, chladenie, odparovanie, var, kondenzácia, sušenie, tavenie). difúzne - riadia sa zákoni prenosu hoty (absorpcia, adsorpcia, extrakcia, destilácia). cheické - riadia sa zákonitosťai cheických dejov (cheické a biocheické reakcie). biologické - riadia sa zákonitosťai existencie živej hoty (ferentácia, aerobné a anaerobné procesy). Každý základný proces sa realizuje podľa určitých, principiálne rovnakých, prírodných zákonitostí. Preto je ožné v rôznych výrobných postupoch použiť na vykonanie tých istých základných procesov (pracovných operácií) výrobné zariadenia, ktoré ajú principiálne rovnakú konštrukciu. Konštrukcie výrobných zariadení sa preto v jednotlivých konkrétnych prípadoch odlišujú už iba v závislosti od fyzikálno-echanických, cheických, prípadne biologických vlastností konkrétneho spracovávaného ateriálu a tiež v závislosti od požadovanej výkonnosti výrobného zariadenia. Procesno-technický prístup k riešeniu technických probléov á tieto výhody: základných výrobných procesov je enej ako technologických procesov, na základné procesy sa dajú uplatniť jednotné ateaticko-fyzikálne popisy, bez ohľadu na druh spracovávanej látky, procesná technika je univerzálna pre rôzne technológie. Väčšina výrobných procesov sa realizuje poocou nie jedného, ale viacerých výrobných zariadení, zaradených do systéov, ktoré sa nazývajú výrobné systéy, resp. výrobné linky. Výrobné zariadenia sú stroje alebo aparáty, poocou ktorých sa realizuje výrobný proces. Výrobné stroje sú výrobné zariadenia uskutočňujúce echanické zeny vstupujúcich látok relatívny pohybo edzi látkou a pracovnýi členi - nástroji. Spracovávané látky sú vždy heterogénne. Mení sa hlavne ich tvar, veľkosť a štruktúra. Tepelné a iné zeny sú vedľajšie, alebo poocné. Vo výrobných linkách sa zvyčajne výrobné stroje vyskytujú na ich začiatku, pri úpravách vstupujúcich látok a na konci liniek, pri finálnych úpravách a balení výrobkov. 1

2 Aparáty sú výrobné zariadenia, v ktorých prebiehajú fyzikálne, fyzikálno-cheické, alebo biocheické zeny látok. Na vstupe a výstupe sú najčastejšie tekutiny a partikulárne látky. Aparáty sa od strojov nedajú vždy presne rozoznať. Cieľo predetu Procesná technika je, na základe fyzikálnych, cheických a biologických zákonitostí základných výrobných procesov, vysvetliť a zdôvodniť princípy konštrukčného riešenia výrobných zariadení. Predet tvorí všeobecný vedoostný základ, ktorý uožňuje ďalšie podrobnejšie štúdiu teoretických zdôvodnení a konštrukcií technických zariadení. 2

3 1 VLASTNOSTI LÁTOK Konštrukcia výrobných zariadení je význane ovplyvnená fyzikálno-echanickýi, cheickýi a biologickýi vlastnosťai spracovávaných ateriálov. 1.1 Skupenstvo látok Látky sa podľa ich skupenstva rozdeľujú na: 1. pevné: - partikulárne, - kusové, 2. tekuté: - kvapalné, - plynné. Skupenstvo látok závisí od ich teploty. Každá látka á svoj vlastný teplotný bod tuhnutia a bod varu. So skupenstvo látok veľi úzko súvisí ich erné skupenské teplo. Merné skupenské teplo je nožstvo tepla l vyjadrené v J/kg potrebné na preenu 1 kg látky z jedného skupenstva do druhého, za stáleho tlaku. Počas zeny skupenstva sa teplota látky neení. Poznáe: erné skupenské teplo topenia l 12 (erné taviace teplo), erné skupenské teplo tuhnutia l 21 (erné teplo tuhnutia), erné skupenské teplo vyparovania l 23 (erné výparné teplo), erné skupenské teplo kondenzácie l 32 (erné kondenzačné teplo), erné skupenské teplo subliácie l 13 (erné subliačné teplo), erné skupenské teplo desubliácie l 31 (desubliačné teplo) Platia vzťahy: 1.2 Zesi látok l 12 = l 21 l 23 = l 32 l 13 = l 31 Materiály ôžu byť tvorené čistýi, jednozložkovýi látkai alebo zesai látok. Zes látok ôže byť: a) hoogénna - zložky sú navzájo rozpustné až na olekulovú štruktúru, napr. soľ vo vode, b) heterogénna - nazývaná tiež disperzná, zložky sú vzájone nerozpustné, alebo sú iba čiastočne rozpustné. Tab. 1.1 Prehľad druhov dvojfázových zesí Látka Dispergovaná Tuhá Kvapalná Plynná Disperzná Tuhá heterogénna heterogénna heterogénna Kvapalná suspenzia eulzia pena Plynná aerosol hla hoogénna 3

4 1.3 Hustota látok Hustota látok vyjadruje hotnosť objeu 1 3 určitej látky. Hustota látky závisí aj od jej vlhkosti a tlaku, ktorý na ňu pôsobí. Mateaticky hustotu vyjadruje vzťah: ρ =, kg/ 3 (1.1) V kde: - hotnosť látky, kg V - obje látky, 3 Hustota zesí látok sa dá určiť podľa vzťahu: ρi.i ρ z =, kg/ 3 (1.2) kde: ρ i - hustota i-tej látky, kg/ 3 i - hotnosť i-tej látky, kg i V prípade partikulárnych látok je dôležité poznať aj ich sypnú hotnosť. Sypnú hotnosť vyjadruje vzťah: ρ s =, kg/ 3 (1.3) Vc kde: hotnosť látky, kg V c obje zaplnený partikulárnou látkou (vrátane edzier edzi jej časticai), Tvary a rozery partikulárnych látok Tvar ateriálov, resp. ich častíc, závisí od spôsobu ich vzniku. Najjednoduchšie tvary ateriálov bývajú spravidla výsledko ľudskej činnosti. Prirodzený spôsobo vznikajú veľi nepravidelné tvary ateriálov, ktoré sa podľa ich rozerov definujú veľi ťažko. Veľi nepravidelné tvary vznikajú aj pri drvení tuhých ateriálov. Podľa tvaru sa častice ateriálu rozdeľujú na: izoetrické, u ktorých poer edzi všetkýi troi rozeri nie je veľký, lainárne (ploché), u ktorých dva rozery výrazne prevládajú nad rozero tretí, fibrálne (vláknité), u ktorých jeden rozer výrazne prevláda nad zostávajúcii dvoi rozeri. Pri konštruovaní výrobných zariadení je potrebné poznať veľkosť spracovávaného ateriálu a preto sa na definovanie veľkosti nepravidelných častíc ateriálov používajú viaceré etódy. Ekvivalentná veľkosť častice podľa Feretovho a Martinovho prieeru Feretov prieer (obr. 1.2) je vzdialenosť dvoch rovnobežných dotyčníc k obrysu častice. Martinov prieer (obr. 1.3) je dĺžka tetivy, ktorá delí prieet častice na dve polovice. Oba tieto prieery sa určujú najčastejšie pri ikroskopickej analýze väčšieho počtu náhodne orientovaných častíc, pričo sa robí v jedno zvoleno sere. 4

5 Obr. 1.2 Feretov prieer Obr. 1.3 Martinov prieer Ekvivalentná veľkosť častice podľa plochy prieetu Pri tejto etóde určovania veľkosti častíc sa reálna nepravidelná častica s plochou prieetu S p nahrádza ekvivalentnou časticou s kruhový prieeto rovnakej veľkosti. Tento kruhový prieet á ekvivalentný prieer d ep (obr.1.3). Platí vzťah: d ep 4. S p =, (1.4) π kde: S p - kruhová plocha prieetu ekvivalentnej častice, Ekvivalentná veľkosť častice podľa plochy povrchu Obr. 1.4 Ekvivalentný prieer častice d ep zodpovedajúci ploche prieetu S p Pri tejto etóde sa reálna častica s plochou povrchu S nahrádza ekvivalentnou časticou tvaru gule, ktorá á rovnakú veľkosť povrchu a prieer d es. V toto prípade platí vzťah: S d es =, (1.5) π Ekvivalentná veľkosť častice podľa objeu V toto prípade sa skutočná častica s objeo V nahrádza ekvivalentnou časticou guľového tvaru s prieero d ev, ktorá á rovnaký obje. Platí vzťah: 6. V π d 3 ev =, (1.6) Sféricita tuhých častíc Sféricita tuhých častíc δ vyjadruje veľkosť odchýlky tvaru častice od tvaru gule. Mateaticky ju vyjadruje vzťah: kde: 2 π. d ev dev δ = =, - (1.7) 2 π. des des d ev - ekvivalentný prieer častice podľa objeu, d es - ekvivalentný prieer častice podľa povrchu, Ak á častica tvar gule, δ = 1. 5

6 Merný povrch Merný povrch partikulárnej látky s je veľkosť povrchu jej častíc pripadajúca na jej celkový obje. Mateaticky vyjadrené: S S s = =, 2 / 3 (1.8) V V + V c t p kde: S - celkový povrch častíc partikulárnej látky, 2 V c - celkový obje ateriálu, 3 V t - obje tuhých častíc ateriálu, 3 V p - obje edzier edzi časticai ateriálu, 3 Sitová veľkosť častíc Sitová veľkosť častíc sa zisťuje jednoduchou sitovou analýzou partikulárnych ateriálov. Častice, ktoré prepadnú prvý sito a zachytia sa na ďalšo site, s enšíi otvori, sú zaradené do frakcie s veľkostný intervalo daný veľkosťai otvorov na prvo a druho site. Takýto spôsobo nezistíe veľkosť jednotlivých častíc, ale súbor častíc triedie do veľkostných intervalov. Tab. 1.2 Rozdelenie ateriálov podľa veľkosti Najväčší rozer častíc, Charakter ateriálu 0,0 < L 0,4 prach 0,4 < L 1,0 jený zrnitý 1,0 < L 3,0 stredný zrnitý 3,0 < L 10,0 hrubý zrnitý 10,0 < L 25,0 jený kusový 25,0 < L 75,0 drobný kusový 75,0 < L 300,0 stredný kusový L > 300 veľký kusový Na časticiach niektorých prírodných partikulárnych ateriálov (napr. seená obilovín) sa dajú spravidla dosť jednoznačne rozoznať tri rozery (obr. 1.5). Sú to: dĺžka, l - najväčší rozer, šírka, b - stredný rozer, hrúbka, h - najenší rozer, Obr. 1.5 Rozery zrna 6

7 1.5 Plnosť a edzerovitosť partikulárnych látok Plnosťou sa vyjadruje podiel edzi objeo vyplnený časticai ateriálu a celkový objeo zaujatý ateriálo. Mateaticky sa plnosť dá určiť vzťaho: V V t P =, - (1.9) c kde: V t - obje tuhých častíc ateriálu, 3 V c - celkový obje ateriálu, 3 Medzerovitosť (pórovitosť) je určená vzťaho: V = V p p ε, - (1.10) c V = V + V t p kde: V p - obje edzier edzi časticai ateriálu, Vlhkosť Vlhkosť je vlastnosťou, ktorá ovplyvňuje ďalšie fyzikálno-echanické vlastnosti ateriálov. Voda ôže byť v ateriáloch viazaná cheicky, ôže byť viazaná sorpčne alebo ôže byť voľná. Sorpcia prebieha v plynno aj v kvapalno skupenstve vody. Desorpcia prebieha iba v jej plynno skupenstve. Vyšší tlak pár v ovzduší spôsobuje sorpciu vlhkosti ateriálo a naopak. Proces prebieha až do rovnovážneho stavu, čiže do sorpčnej rovnováhy. Vlhkosť ôže byť ateriálo pútaná adsorpčne, čo je pútanie vody na povrchu ateriálu, alebo absorpčne, pri ktoro je voda pútaná v kapilárach, vo vnútri ateriálu. Obsah vlhkosti v ateriáli sa vyjadruje buď absolútnou alebo relatívnou vlhkosťou (staršie poenovanie erná vlhkosť a podiel vlhkosti). Absolútnu vlhkosť ateriálu určuje vzťah: kde: u v s = =, kg/kg (1.11) s s v - hotnosť vody v ateriáli, kg s - hotnosť sušiny, kg - hotnosť vlhkého ateriálu, kg Relatívna vlhkosť ateriálu sa určí podľa vzťahu: v s ω =.100 =.100, % (1.12) Pre vzájoný prepočet platí: ω u =, kg/kg 100 ω u ω =.100, % 1+ u 7

8 Pri riešení sušenia usíe poznať aj vlhkosť vzduchu. Vzduch sa skladá zo zesi suchého vzduchu a vodných pár. Pri každej teplote ôže vzduch prijať iba určité axiálne nožstvo pár. Za norálnych podienok obsahuje vzduch enšie nožstvo pár, ako je to axiálne ožné. To znaená, že vzduch je vodou nenasýtený a ôže prijať ďalšiu paru. Obsah vody vo vzduchu je ožné vyjadriť ernou a relatívnou vlhkosťou. Absolútna vlhkosť vzduchu: kde: p x =, kg/kg (1.13) sv p - hotnosť vodnej pary, kg sv - hotnosť suchého vzduchu, kg Relatívna vlhkosť vzduchu sa určuje ako: ρ p ϕ =, - (1.14) ρ,, p kde: ρ p - hustota pary nachádzajúcej sa vo vzduchu, kg/ 3,, - hustota nasýtenej vodnej pary pri danej teplote, kg/ ρ p Maxiálna relatívna vlhkosť φ = 1. Relatívna vlhkosť vzduchu sa ôže udávať aj v percentách. 1.7 Sypný uhol partikulárnych látok Sypný uhol vyjadruje schopnosť partikulárnych látok sypaných z výšky vytvoriť kužeľ. Uhol edzi vodorovnou podložkou a stenou tohoto kužeľa sa nazýva sypný uhlo. Veľkosť sypného uhla je ovplyvnená tvaro častíc, vlhkosťou, súčiniteľo vnútorného trenia. 1.8 Trecie vlastnosti Trenie sa dá charakterizovať ako odpor proti vzájonéu pohybu častíc, ktorý je spôsobený norálovou a trecou silou. Mechanizus trecích väzieb edzi časticai vysvetľuje teória trenia tuhých látok. Dve tuhé častice partikulárnej látky sa pri pohybe ôžu po sebe kĺzať, alebo valiť. Preto aj trenie existuje klzné a valivé. Klzné trenie sa vyskytuje častejšie, pretože nie je podienené rotačný tvaro častíc. Súčiniteľ trenia edzi časticai závisí od fyzikálnych vlastností látky, čistoty a drsnosti trecích plôch. Vo všeobecnosti je ožné predpokladať, že u tej istej látky je veľkosť valivého trenia enšia ako veľkosť trenia klzného. Na rozdiel od klzného trenia valivé trenie nezávisí od akosti povrchu častíc. Ovplyvňuje ho však tvar, veľkosť a iné fyzikálno-echanické vlastnosti častíc. Trecie vlastnosti sú charakterizované koeficiento trenia konkrétneho ateriálu o podložku tvorenú tiež určitý konkrétny ateriálo. Vzájoné trenie edzi jednotlivýi časticai toho istého ateriálu sa vyjadruje koeficiento vnútorného trenia. 3 8

9 Koeficient trenia je vyjadrený vzťaho: f = tgϕ, - (1.15) kde: φ - uhol trenia, Uhol trenia φ je daný schopnosťou ateriálu pohybovať sa po naklonenej rovine. Rozoznávae: uhol trenia v pokoji - je to uhol, pri ktoro sa ateriál začne pohybovať po naklonenej rovine, uhol trenia za pohybu - čo je najenší uhol, pri ktoro sa ateriál ešte pohybuje po naklonenej rovine. Koeficient trenia v pokoji a koeficient trenia za pohybu je potrebné rozoznávať, pretože koeficient trenia za pohybu á enšiu hodnotu ako koeficient trenia v pokoji. 1.9 Súdržnosť Súdržnosť je daná súhrno síl, ktorýi sa navzájo pútajú častice tej istej hoty. Súdržnosťou sa charakterizuje schopnosť enších častíc ateriálu spájať sa a vytvárať väčšie častice. Vyjadruje sa v N/ Abrazívnosť Abrazívnosť charakterizuje schopnosť ateriálu obrusovať za pohybu funkčné časti výrobných zariadení. K abrazívneu opotrebovaniu dochádza dvoi spôsobi oteru. Pri prvo, takzvano rázovo otere, dopadajú častice spracovávaného ateriálu na funkčné plochy zariadení približne v kolo sere (obr. 1.6). Dopad častice vtedy spôsobuje v ateriále podpovrchový lo a dochádza postupnéu vylaovaniu povrchovej vrstvy. Pri druho, šykovo otere, dopadajú častice na funkčné plochy zariadení s alý uhlo, alebo sa po funkčnej ploche pohybujú v určito sere. Povrchová vrstva ateriálu funkčnej časti zariadenia je v toto prípade obrusovaná. Obr. 1.6 Dva spôsoby abrazívnych oterov a) rázový, b) šykový. Abrazívne opotrebenie sa vyjadruje úbytko ateriálu steny ΔM. Tento úbytok ovplyvňujú: doba expozície (pôsobenia oteru) a koncentrácia abrazívnych častíc, vlastnosti ateriálu abrazívnych častíc a funkčnej časti zariadenia, uhol dopadu častíc α a rýchlosť dopadu častíc na funkčnú plochu v, norálová sila pôsobiaca na abrazívnu časticu pri jej pohybe po povrchu funkčnej časti zariadenia. 9

10 Na obr. 1.7 sú znázornené dve charakteristické závislosti úbytku ateriálu ΔM (α) pre äkký ateriál (gua) a pre ateriály tvrdé a krehké. V porovnaní s tvrdýi ateriáli dochádza v prípade äkkých ateriálov k väčšieu opotrebeniu v oblasti enších uhlov α. U tvrdých a krehkých ateriálov je šykový oter podstatne nižší. Opotrebenie však výrazne rastie v oblasti rázového oteru. Abrazívne opotrebenie ocele je najväčšie v oblasti uhlov dopadu α = 45 až 60. Obr. 1.7 Úbytok ateriálu pri abrazívno otere ΔM v závislosti na uhle dopadu častice α a) gua, b) tvrdý a krehký ateriál kde: Pre úbytok ateriálu ΔM platí závislosť: n Δ M v (1.16) v - rýchlosť dopadu častice, n - exponent blížiaci sa k hodnote Adhézia Vzájoná priľnavosť častíc ateriálu, resp. častíc ateriálu na určito väčšo povrchu je spôsobovaná adhéznyi silai, ktorýi sú: sily olekulárne (Van der Waalsove), sily kapilárne, sily elektrostatické. Molekulárna adhézia - príťažlivé sily sú v toto prípade spôsobené zložení atóov a olekúl. Atóy totiž obsahujú elektricky kladne nabité jadrá a záporne nabité elektróny. Van der Waalsove sily sú veľi alé a pri vzdialenosti väčšej ako 10-7 je ich ožné zanedbať. Kapilárna adhézia - vzniká vplyvo povrchovej vlhkosti. V ieste dotyku dvoch povrchov príde k prepojeniu častíc vodný ostíko (obr. 1.8), ktorý je príčinou vzniku kapilárnej adhéznej sily. Kapilárna adhézia sa najvýraznejšie prejavuje v prostredí plynov s relatívnou vlhkosťou φ > 65 %, kedy prevláda nad ostatnýi adhéznyi silai. Elektrostatická adhézia vzniká, ak sa častica, ktorá á kladný alebo záporný elektrický náboj dostane do blízkosti elektricky nenabitej vodivej steny. Vtedy sa vytvorí edzi časticou a stenou elektrostatické pole a častica je priťahovaná ku stene elektrostatickou silou. 10

11 Ku priľnavosti častíc k povrchu steny prispieva aj drsnosť steny. Ak je povrch steny drsný ôžu sa jené častice ateriálu do nerovností povrchu zakliniť (obr. 1.9). Tento jav sa nazýva echanická adhézia. Obr. 1.8 Kapilárna adhézia Obr. 1.9 Mechanická adhézia 1.12 Saozahrievanie Saozahrievanie je schopnosťou ateriálov biologického pôvodu zvyšovať svoju teplotu. Tento jav ôže nastať za určitých okolností pri nahroadení vlhkého biologického ateriálu s obsaho vody okolo 70 %, napríklad pri jeho skladovaní. Teplota prito ôže dosiahnuť aj hodnoty vyššie ako 100 C. Prito sa rozkladajú bielkoviny a u zelených ateriálov aj β-karotén a tvoria sa uhľovodíky. Za takýchto podienok, za prístupu vzduchu ôže nastať aj saovznietenie ateriálu Viskozita Rôzne kvapaliny pretekajú za rovnakých podienok potrubí rozličnou rýchlosťou. Je to spôsobené vnútorný trení kvapaliny. Jednotlivé vrstvy kvapaliny (obr.1.10 ) sa vzájone posúvajú, trú sa o seba a vzniká edzi nii dotykové napätie τ. Veľkosť dotykového napätia je podľa Newtonovho zákona priao úerná rozdielu rýchlostí dvoch susedných vrstiev Δv a nepriao vzdialenosti vrstiev Δx. Obr.1.10 Viskozita kvapalín Δv - rozdiel rýchlostí dvoch susedných vrstiev Δx - vzdialenosť dvoch susedných vrstiev Dotykové napätie τ vyjadruje vzťah: Δv τ = μ., Pa (1.17) Δx 11

12 V toto vzťahu µ je dynaická viskozita kvapaliny. Jednotka dynaickej viskozity Pa.s vyjadruje viskozitu kvapaliny, v ktorej pri rozdiele rýchlostí susedných vrstiev 1 /s vzniká rovnobežne s rýchlosťou dotykové napätie l Pa = l N. -2. V technických výpočtoch sa často používa kineatická viskozita, vyjadruje viskozitu kvapaliny so zreteľo na jej hustotu a je určená poero dynaickej viskozity µ a hustoty kvapaliny ρ. Kineatickú viskozitu ν vyjadruje vzťah: μ ν =, 2 /s (1.18) ρ Viskozita kvapalín nie je konštantnou hodnotou, ale sa ení v závislosti od teploty a tlaku. V tab. 1.3 je uvedená dynaická a kineatická viskozita vody pri rôznych teplotách. Tab.1.3 Hodnoty hustoty, dynaickej a kineatickej viskozity vody Teplota t, C Hustota ρ, kg/ 3 Dynaická viskozita, μ.10-6 Pa.s Kineatická viskozita, ν /s 0 999, ,6 1, , ,14 1, ,17 652,84 0, ,18 461,99 0, ,82 354,39 0, ,31 282,12 0, ,68 136,62 0, ,45 91,19 0,128 12