Vegyipari műveletek I

A tantárgyprogramban a minimum követelmény kövér betűvel, az emeltszintű vizsgához szükséges tananyag pedig dőlt betűvel szerepel. A „nefelejcs” ismeretek az aláhúzott témakörök alapfogalmai.

I. Alapfogalmak

1.   Vegyipari Műveletek tárgy oktatásának célja, programja. "Chemical Engineering", a vegyészmérnöki tudomány kialakulása. A műveleti egységet leíró mennyiségek. Szabadsági fok, extenzív mennyiségek transzportja, konvektív és vezetéses áramok.  Nemnewtoni fluidumok: reológiai alapfogalmak. A műveleti egységet leíró mérlegegyenletek.

2.   Áramlástani alapfogalmak. Megmaradó mennyiségek és transzportálódó mennyiségek. Tömeg-mérlegegyenlet: folytonossági tétel (kontinuitási egyenlet).

3.   Impulzus mérlegegyenlet: Bernoulli egyenlet. Alkalmazások: Hagen-Poiseuille törvény, Torricelli egyenlet, a térfogatáram mérése a keresztmetszet csökkentésével.

4.   Hasonlóságelmélet: modellelmélet, dimenzióanalízis. Buckingham-féle P-tétel. Hidrodinamikai hasonlóság. Áramlási ellenállás kör keresztmetszetű csőben, Fanning egyenlet, súrlódási tényező. Lamináris és turbulens áramlás, érdesség, nem körkeresztmetszetű áramlás, a sűrűség szerepe.

5.   Körüláramlott testek áramlási ellenállása, közegellenállási tényező.  CD-Re függvény, Stokes-, átmeneti- és Newton-tartományok.

II. Hidrodinamikai mŰveletek

6.   Ülepítés. Szilárd részecskékre ható erők, közegellenállás és tömegerők. Közegellenállási erő (lamináris) Stokes törvénye, Stokes-féle ülepedési határsebesség. Ülepedő részecske átmérője. Ülepedés gázfázisban. Ülepitők kapacitása. Együttülepedés, falhatás, szomszédos testek kölcsönhatása.

7.   Ülepítő berendezések. Howard és filtrex kamra, ütközőlemezes, elektrosztatikus ülepítők, ciklon, ülepítő kád, ülepítő csatorna, Rheo mosó, Dorr ülepítô.

8.   Ülepedés centrifugális erőtérben. Centrifuga jelzőszáma. Centrifugák: laboratóriumi (kilendülőfejes), szög, dob-, kamrás-, inga-, csigás, cső- vagy szuper, ultracentrifuga. Szeparátorok.

9.   Áramlás töltött csőben. Szemcsehalmazon áthaladó fluidumok áramlási ellenállása. Fajlagos töltetfelület, relatív hézagtérfogat, részecske fajlagos töltetfelülete. A Blake-Kozeny, a Burke-Plummer és a Carman-Kozeny egyenletek. Ergun-képlet töltött oszlop nyomásesésnek számítására. Alaktényező.

10. Fluidizáció jelensége. Nyomásesés az áramlási sebesség függvényében. Rácsnyomás, pneumatikus szállítás. Homogén és inhomogén fluidizáció, gejzír jelenség, alkalmazások, FCC-üzem.

11. Szűrés, Darcy egyenlete. A Carman-féle szűrési egyenlet integrálása, szűrési konstansok meghatározása. Optimális szűrési idő. A Carman-féle szűrési egyenlet kapcsolata a Blake-Kozeny egyenlettel. Lepényvastagság számítása. Berendezések: szívó- és nyomó nuccs, táskás szűrők, Kelly szűrő, Sweetland és Vallez szűrők, keretes és kamrás szűrőprések, forgódobos vákuumszűrő (Oliver szűrő), szűrőcentrifugák.

12. Membránszűrés elve, permszelektivitás, mikro-, ultra- és nanoszűrés. Dead-end és cross-flow szűrési elvek. Membránmodulok. Áteresztőképesség (átlagos sebesség) a mikroszűrésnél, ill. az ultra és nanoszűrésnél, koncentrációpolarizáció.

13. Keverés fogalma, keverőtípusok (horgony, kalodás, lapátos, centrifugális, propeller, szalag, csiga). Keverők teljesítményfelvétele.

14. A hidrodinamikai műveletek áttekintése a hasonlóságelmélet alapján.

III. HŐtani mŰveletek

15. Hőtranszport alapjai: a hőátvitel megnyilvánulási formái. Hővezetés sík és hengeres falon keresztül. Konvektív hőátadás.  Filmelmélet. Hőátbocsátás. Logaritmikus közepes hőmérséklet-különbség.

16. Hő-mérlegegyenlet. Hőtani hasonlóság: konvektív hőátadás dimenziómentes (kritériális) egyenlete. Hőátadás kényszerkonvekciónál és szabadkonvekciónál. Hősugárzás. Hősugárzás és konvektív hőátadás.

17. Hőcserélők számítása: kilépési hőmérsékletek, egyenáram, ellenáram. Hőmérséklet-lefutás álló és áramló rendszerekben.  A tervezés lépései, az FG - geometriai faktor többjáratú hőcserélőkre. A sebesség és az átlagos hőmérséklet-különbség optimalizálása.

18. Hőcserélő készülékek: direkt hőcsere, rekuperátorok, regenerátorok. Barbotőr, keverő kondenzátor, duplikátor, cső a csőben, kanyarcsöves, csőköteges (egyszeres és többszörös átömléssel), különleges hőcserélők.

19. Hőátadás fázisváltozással. Hőátadási tényező fázisváltozásnál. Kondenzáció Nusselt un. "vízhártya" elmélete. Elpárologtatás forrással: nedvesítés, bubokékképzodés. A forrásos elpárologtatás tartományai: szabad konvekció, buborékoló forrás, átmeneti tartomány, film elpárolgás. A buborékoló forrás McNelly egyenlete. Maximális hőáramsűrűség. Hőáramsűrűség növekedése áramló rendszerekre, kétfázisú esetre. Tervezési meggondolások. Instacionárius hőátvitel.

20. Bepárlás alapjai, anyag- és hőmérleg. Forráspont emelkedés és a hidrosztatikus effektus. Kapacitás és fajlagos gőzfogyasztás. Többtestes bepárlók (egyen-, ellen-, vegyes- és keresztáram), párakompresszió. Hőfokviszonyok többtestes bepárlókban.

21. Bepárlók típusai és üzemeltetési módjai: Robert, felfüggesztett ill. külső fűtőterű, hosszúcsöves, ferde fűtőcsöves, esőfilmes, kavarós filmbepárlók. Kondenzedények. Kristályosító bepárlók. Bepárlók kiválasztása.

A számítási gyakorlatok anyaga

1. Áramlástani ismétlés: Tartályból való kifolyás, csősúrlódás számítása fluidum sebesség ismeretében, ekvivalens átmérő, egyenérték csőhossz.
2. Csősúrlódás számítása, fluidum sebesség ismeretlen esetben, Kármán módszerrel.
3. Keverés: keverők teljesítmény felvétele, Euler-Reynolds egyenlet használata.
4. Ülepítés: adott átmérőjű részecskék ülepedési sebességének számítása, ill. ülepedési sebességhez határszemcse-átérő keresése. Ülepítők kapacitása.
5. Töltött oszlop nyomásesésének számítási lehetőségei. Fluidizálás kezdeti ill. végsebességének számítása.
6. Szűrési konstansok meghatározása mérési adatokból, szűrési idő, optimális szűrési idő számítása.
7. Hőtan: vízgőz-táblázat, víz i-t diagramja, hővezetés számítása. Falszennyezés hatása.
8. Hősugárzás, hőátadás, a-számítás kényszeráramlásnál (csőben, csövön kívül, keverős tartályban), természetes áramlásnál.
9. Teljes hőcsere (egyen-, ellenáram), hátbocsátás, időbeli egyenáram.
10. Felület és véghőfok számítás, összetett hőtani példák megoldása.
11. Bepárlás anyag és energia mérlege. Bepárlás számítása Mollier és Merkel diagramon.