Ved. full set

Fluidumi transport ja liikuma panev jõud

Fluidumi transportimiseks ühest torustiku punktist teise on vaja fluidumile juurde anda energiat, et tekitada liikumapanev jõud. Liikumapanev jõud kulub fluidumi mehaanilise energia suurendamiseks, mis omakorda läheb rõhu, kiiruse või kõrguse suurendamiseks

Mahtpumbad

(kolbpump, membraanpump)

• Mahtpumbad (positive displacement) - tööorgan muudab perioodiliselt töökambri mahtu; töökamber ühendatakse vaheldumisi imemis- ja survetoruga; iga täiskäiguga liigub kindel vedelikumaht imiosast surveossa.

  • Tootlikkus sõltub tööorgani liikumiskiirusest.

  • Oluline omadus: antud mootori kiirusel on tootlikkus praktiliselt konstantne ja ei muutu oluliselt tõstekõrguse (torustiku vasturõhu) muutusega; sobib suurte rõhkude korral; ei tohi töötada kui surveosas ventiil on suletud

Dünaamilised pumbad

• labapumbad, tsentrifugaalpumbad

• Dünaamilised pumbad - tehakse tööd vedeliku kineetilise energia suurendamiseks (vedeliku suur kiirus) ning enamus kineetilist energiat muudetakse tagasi potentsiaalseks energiaks vähendades vedeliku kiirust sobivaks.

Kolbpump

Kaksiktoimekolbpump

Diferentsiaalkolbpump

Membraanpump/Diafragmapump

• sarnaneb kolbpumbaga, aga tööorgan (kolb) ei puutu kokku pumbatava vedelikuga; kolb liigutab elastset membraani, mis muudab pumba kambri mahtu.

• kasutatakse sageli just agressiivsemate vedelikke pumpamisel, mis oleksid võimelised tõsiselt kahjustama pumba kolbi

Tsentrifugaalpump

• vedeliku imemine ja surve tekivad pidevalt ja ühtlaselt tsentrifugaaljõudude toimel, mis tekivad labadega tööratta pöörlemisel spiraalikujulises korpuses

• tootlikkus, tõstekõrgus ning võimsus sõltuvad tööratta pöörete arvust n.

Keerispump

• kineetiline energia antakse veeosakestele nende keeriseliselt liikumapanekuga tööratast ümbritsevas kanalis.

Miks vee pumpamisel tsentrifugaalpumbaga on maksimaalne imemiskõrgus 10 m?

• Imemine toimub, sest pump tekitab imiavas hõrenduse (madala rõhu). Vedelik tuleb pumbani ainult siis, kui imipoole “survevaru” suudab katta:

  • vedeliku tõstmise imemiskõrgusele,

  • vedelikule imitorus vajaliku kiiruse andmise,

  • imitoru hõõrde- ja kohalikud kaod.

• lahtistest anumatest pumpamisel ei saa imemiskõrgus olla suurem kui vedelikusammas, mis vastab atmosfäärirõhule

Pumba kasuliku võimsuse ja vajaliku s.o tegeliku võimsuse arvutamine.

• Kasulik võimsus: N = QH roo g

• Tegelik/koguvõimsus: peab olema kasulikust võimsusest suurem, sest arvestatakse kasutegurit

Mis on kavitatsioon? 

• vedeliku homogeensuse katkemine ja “tühikute” teke järsu rõhulanguse tõttu; kui rõhk langeb alla küllastunud auru rõhu, vedelik hakkab lokaalselt “keema”, tekivad aurumullid

  • mullid liiguvad kõrgema rõhuga piirkonda ja kondenseeruvad väga kiiresti, tekitades lööke

• kaasneb müra ja vibratsioon, surve/ tootlikkuse/ kasuteguri langus, ning tööratta pinna lõhkumine ja keemiline erosioon

Mida teha kavitatsiooni vältimiseks?

Et ei tekiks kavitatsiooni, peab kogusurve pumba imiavas olema suurem kui küllastunud auru surve

Pumba kavitatsioonivaru

• pumpadele arvutatakse kavitatsioonivaru (NPSH) ja vajalik kavitatsioonivaru antakse pumba passis (katseliselt)

• NPSH= Rõhk vedeliku pinna kohal – aururõhk +/- geomeetriline imemiskõrgus – hõõrdekaod imemisliinil

  • + kui imemiskõrgus, - kui imemissurve

• tegelik NPSH peab olema suurem kui pumba vajalik NPSH

  • tegelik ≥ vajalik + 0,5 m

Kuidas vähendada pumba kavitatsiooniohtu?

Tsentrifugaalpumpade teooria

• Tsentrifugaalpumba teoreetiline põhivõrrand on tuletatud sellise tööratta jaoks, millel on lõpmatu hulk lõpmatult õhukesi labasid.

  • eeldatakse ideaalvedelikku.

  • teoreetilised valemid annavad ainult sõltuvused, lahendused on väga ebatäpsed

Tsentrifugaalpumba karakteristikud, vedeliku viskoossuse ja tiheduse mõju pumba karakteristikutele ja pumba tööpunkt

• Q=f(H,P,η,NPSHr​)

• Pumba töökarakteristik näitab, milleks pump on võimeline

• kui μ\muμ on suurem, siis voolamine on “raskem” (suurem sisehõõrdumine) → sama pumba ja pöörete juures on saadav vooluhulk väiksem

• kui ρ\rhoρ suureneb, siis sama QQQ ja HtH_tHt​ korral peab pump andma suurema võimsuse

• Pumba tööpunkt - pumba töökarakteristiku ja andmevõrgu karakteristiku lõikepunkt, mis määrab:

  • suurim vooluhulk, mida pump suudab antud võrku anda

  • dünaamiline surve , mida pump peab seejuures arendama

Kelmeline voolamine ja selle režiimid.

• Kelmeline voolamine - olukord, kus vedelik voolab õhukese kelmena mööda seina (nt absorptsioonis, rektifikatsioonis, aurustamises). Protsessi kiirus sõltub kelme voolamise iseloomust (režiimist), kelme paksusest ja voolamise kiirusest.

• Katseliselt on kindlaks tehtud 3 põhilist kelmelise voolamise režiimi:

  • Laminaarne – sileda vedelik-gaas eralduspinnaga

    •  Re_k <20–120

  • Laineline laminaarne – vabapind laineline 

    •  Re_k ≈ 20–120 - 1600

  • Turbulentne   Re_k >1600

Millest sõltub kelme paksus ja kelme voolamise kiirus?

• Kelme paksus sõltub eelkõige massniisutustihedusest Γ ning vedeliku tihedusest ρ ja viskoossusest 𝜇

• Kelme voolamise kiirus sõltub massniisutustihedusest Γ, vedeliku tihedusest 𝜌 ja kelme paksusest 𝛿 ning gaasi kiirusest

Millist seadet nimetatakse täidiskolonniks? Täidiskolonni põhimõtteline skeem (Joonis 4.2).

• Täidiskolonn on pindkolonn (massivahetuskolonn), kus kontaktpinnaks on kolonni geomeetriliste elementide pind

• Täidiskolonnis:

  • gaas puutub vedelikuga kokku täidise niisutataval pinnal;

  • vedelik voolab täidisel õhukese kelmena ühelt täidiseelemendilt teisele;

  • elemendilt alumisele liikudes kelme katkeb ja taastub, osa vedelikku võib liikuda ka jugade/pritsmetena;

  • osa vedelikku võib jääda täidise elementide vahele paigale → “surnud tsoonid”.

Täidist iseloomustavad näitajad.

Täidise takistuse sõltuvus gaasi kiirusest kolonnis (Joonis 4.3)

Täidiskolonnide hüdrodünaamilised režiimid. 

1. Kelmerežiim

• väikesed gaasi kiirused ja niisutustihedused;

• täidises kinnipeetava vedeliku hulk praktiliselt ei sõltu gaasi kiirusest;

• lõpeb rippepunktis A.

2. Ripperežiim

• gaasi kiiruse kasvades gaas pidurdab allavoolavat vedelikku → täidises kinnipeetava vedeliku hulk suureneb;

• sellega koos täidisekihi takistus suureneb ja massiülekanne intensiivistub.

3. Emulgeerimisrežiim (algab inversioonipunktist B)

• täidiseelementide vahelised tühimikud hakkavad vedelikuga täituma;

• toimub inversioon: vedelik muutub pidevaks faasiks, gaas dispergeeritud faasiks;

• kolonni takistus teeb järsu tõusu;

• massivahetuse maksimaalne efektiivsus saavutatakse just siin, aga samal ajal on suurim hüdrauliline takistus.

4. Kaasakanderežiim (uppumisrežiim)

• niisutuseks antud vedelik kantakse gaasiga kolonnist välja;

• praktilises töös kasutust ei leia.

Millises režiimis on massivahetus kõige efektiivsem? Miks?

• Kõige efektiivsem on emulgeerimisrežiimis

• inversiooni tõttu on gaas dispergeeritud vedelfaasi (paljude mullidena) → massivahetuspind suurem;

• vedelikus tekivad keerised, vedelik on hästi segatud;

• turbulents teeb massivahetuse kiiremaks.

Segamine ja Segamise eesmärgid.

• Segamine = fluidumi kihtide liikumise tekitamine + segu homogeniseerimine (nt suspensioon, emulsioon).

• Eesmärgid:

  • tahkete osakeste ühtlane jaotamine vedelikus (suspensioonid),

  • vedeliku (või gaasi) osakeste ühtlane jaotamine teises vedelikus ja osakeste mõõtmete vähendamine (emulsioonid, aereerimine),

  • soojusvahetuse intensiivistamine (soojendamine/jahutamine),

  • massivahetuse intensiivistamine (nt lahustumisel).

Vedelike segamise meetodid. 

• mehaaniline segamine – kasutatakse erinevate konstruktsioonidega segisteid,

• pneumaatiline segamine – kasutatakse suruõhku või inertgaasi,

• ringlussegamine – kasutatakse düüse ja pumpasid,

• staatiline segamine – kasutatakse vedeliku läbipumpamist spetsiaalsetest suunavate elementidega seadmetest.

Mehaaniline segamine

• Üldiselt segatakse vedelikke vertikaalsetes silindrilistes tankides või anumates.

• Tank võib olla pealt avatud või suletud. Sellise tanki proportsioonid võivad olla erinevad

• Segamismahuti põhi on ümmardatud, mitte lame, et vältida teravaid nurki ja piirkondi, millesse vedeliku voolud ei tungi

Segistite tüübid

Voolukuju segamisel ja lehtri tekkimine ning selle vältimine

•  sõltub impelleri tüübist, vedeliku omadustest, tanki, peegeldite ja segaja suurusest ja proportsioonidest.

• Kui võll on vertikaalne ja anuma tsentris, on tangentsiaalne liikumine ebasoovitav, sest see tekitab vedeliku ringliikumise ümber võlli ja keerise/lehtri

  • Lehtri vältimine: peegeldite kasutamine, segisti viimine tsentrist välja või asetamine kaldu.

Vedeliku kiiruse komponendid segamisel.

• Vedeliku kiirusel segamistankis on 3 komponenti:

  • radiaalne (risti impelleri võlliga),

  • teljesuunaline (paralleelne võlliga),

  • tangentsiaalne / rotatsiooniline (ringliikumise puutuja suunaline).

  • Radiaalne ja teljesuunaline on kasulikud; tangentsiaalne on ebasoovitav.

Segamise võimsuse arvutamine. 

K n vs Re

Pulbrite, viskoossete materjalide ja pastade segamine.

• Pulbrite segamine: põhimõte on tahkete osakeste asendi muutmine üksteise suhtes; lihtsaim seade on trummel.

• Pastade ja viskoossete vedelike segamine: põhimõte on, et materjal jagatakse ja rekombineeritakse segistis; kasutatakse raam- ja ankursegajaid; taignasegistite töö põhineb pöörlemisel.

Segistid erineva viskoossusega vedelike segamiseks.

• Madal viskoossus:

  • labasegisti,

  • propellersegisti (aksiaalvool),

  • turbiinsegaja (radiaalvool; ketasturbiin / nurga all labadega turbiin).

• Kõrgem viskoossus

  • ankursegisti,

  • spiraal-ribasegisti (helical-ribbon),

  • komposiitsegistid (nt kaks turbiini + ankur).

Keevkiht

• puistematerjali kiht, milles tahked osakesed hõljuvad kihti läbiva fluidumi kineetilise energia mõjul (osakeste suurus vahemikus 1 μm kuni 6 cm)

  • Keevkihi olekus on materjal voolav.

Keevkihtseadme energiabilanss.

Keevkihti iseloomustavad suurused.

• Keevkihti iseloomustab kihi kõrgus, kihi poorsus ja gaasi liikumise keskmine kiirus.

  • Poorsus: ehk vaba mahu osa väljendab kihi osakeste vahelise vaba ruumi osa kihi mahu ühes ruumalaühikus

  

• gaasi fiktiivne kiirus

Millised on hüdrodünaamilised režiimid fluidumi voolamisel läbi tahkete osakeste kihi.

• 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 kõrgushakkavad 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 fiktiivseks kiiruseks?

• Gaasi tegelikku kiirust tahkete osakeste vaheliste kanalites on raske määrata, seetõttu kasutatakse kiirust, mis on mahtkulu suhe kihi ristlõikepinna pindalasse

Keevkihi tekkimine, gaasi kriitiline ja kaasakandekiirus

• Keevkiht on puistematerjali kiht, milles tahked osakesed “hõljuvad” ja kiht käitub voolavana, sest fluidum annab osakestele piisava kineetilise energia. 

• Tekib siis, kui kihi takistus (rõhukadu üle kihi) saab võrdseks kihi raskusjõuga pinnaühiku kohta (“kihi kaal / ristlõikepindala”).

• Kriitiline kiirus = fiktiivne kiirus, mille juures tahke materjali kiht läheb üle keevkihi olekusse.

• Kaasakandekiirus u_{0, kk} = fiktiivne kiirus, mille juures osakesed kantakse gaasivooluga kaasa (algab pneumotransport / kaasakanderežiim).

Kuidas mõõdetakse kihi takistust? Kuidas muutub kihi takistus fluidumi kiiruse suurenemisel?

• Kihi takistus = rõhukadu Δp üle kihi.

• Mõõtmine: mõõdetakse rõhkude vahega enne ja pärast kihti.

• Liikumatu kihi režiimis: kui 𝑢0​ suureneb, siis Δ𝑝 suureneb

• Keevkihi režiimis: pärast kriitilist kiirust läheb Δ𝑝 ligikaudu konstantseks (joonisel “kihi kaal” taseme ümber), kuigi kiirus suureneb.

Mis on keevkiht, millistel tingimustel tekib? 

• Keevkiht on puistematerjali kiht, milles tahked osakesed “hõljuvad” ja kiht käitub voolavana, sest fluidum annab osakestele piisava kineetilise energia. 

• Tekib siis, kui kihi takistus (rõhukadu üle kihi) saab võrdseks kihi raskusjõuga pinnaühiku kohta (“kihi kaal / ristlõikepindala”).

keevkihi takistuse sõltuvus õhu fiktiivsest kiirusest (osata skitseerida!)

Õhu kriitiline kiirus

õhu fiktiivne kiirus, mille juures statsionaarne tahke osakeste kiht läheb üle keevkihi olekusse.

Kriitilise kiiruse määramine katseandmete põhjal ja arvutuslikult.

Hüdromehaanilised separeerimisprotsessid.

Heterogeensed süsteemid. 

• Heterogeenne (mittehomogeenne) süsteem - süsteem, mis koosneb kahest või enamast füüsiko-keemiliselt mittehomogeensest faasist (eri agregaatolekutes). Faasid võivad olla mehaaniliselt üksteisest eraldatud.

• Iga heterogeenne binaarne süsteem koosneb kahest faasist:

  • dispersne ehk sisemine faas, mis on väikeste osakeste kujul,

  • pidev ehk välimine faas, mis on dispersioonikeskkonnaks, milles on jaotunud dispersse faasi osakesed.

• nt. suspensioon (vedelik + tahked osakesed), emulsioon (vedelik + teise vedeliku tilgad), vaht (vedelik + gaasimullid), tolm/suits/udu (aerosoolid)

Heterogeensete segude separeerimise operatsioonid, nende iseloomustus. 

Mehaaniline ehk füüsikaline separeerimine. 

• heterogeensete süsteemide lahutamist ilma keemilise muutuseta, kasutades mehaanilisi/füüsikalisi jõude: gravitatsioon (settimine/sadenemine), rõhkude vahe (filtrimine), tsentrifugaaljõud (tsüklon/hüdrotsüklon/tsentrifuugid) ning vajadusel ka elektri- või helivälja mõju gaasidest tahkete osakeste eemaldamiseks.

Materjalibilanss (separeerimisprotsessid)

Filtrimine, selle liigid. 

• Filtrimine on mehaaniline põhioperatsioon tahkete osakeste eraldamiseks fluidumist, mida tehakse vedeliku juhtimisega läbi poor­se filtriva keskkonna (filtri). Filter laseb fluidumi läbi ja hoiab tahked osakesed kinni.

• Kasutatakse nii vedelik–tahke kui ka gaas–tahke süsteemide separeerimiseks.

Filtrimise liikumapanev jõud.

Millist protsessi nimetatakse pindfiltrimiseks? Pindfiltrimise mehhanism. 

• filtrimine, kus vedelik läbib järjest kaks takistavat kihti: filterkook ja filterpind

• Pindfiltrimise protsessi etapid:

  • filtrimine,

  • filterkoogi pesemine,

  • filterkoogi eraldamine.

Mis on filtrimise kiirus ja millest ta sõltub?

sõltub liikuva panevast jõust (delta p) ja filtrimise takistusest (filterkoogi + filterpinna), viskoosusest

Miks pindfiltrimisel filtrimise kiirus väheneb? 

• Sest protsessi käigus filterkook kasvab

• Filtrimise takistus koosneb filterkoogi takistusest ja filterpinna takistusest

  • 𝑅_fp on ligikaudu konstantne

  • filterkoogi takistus suureneb protsessi käigus (muutub nullist kuni maksimaalse väärtuseni protsessi lõpus)

Filtrimise kiiruse võrrand. 

Filtrimise viisid (konstantse kiirusega, konstantse ∆p-ga). 

• Filtrimist saab teha:

  • konstantsel Δp juures

  • konstantse filtrimise kiiruse dV/dτjuures.

• Konstantse Δp juures ei muutu liikumapanev jõud, aga takistus kasvab, sest filterkook koguneb ja muutub paksemaks → seetõttu dV/dt väheneb.

• Filtrimise alguses piisab väiksemast Δp (takistus on väike).

• Protsessi edenedes tuleb rõhku/vakuumit tõsta (või pumbata “tugevamalt”), et kompenseerida koogi takistuse kasvu ja hoida kiirus samana.

plaatfilterpress

nutsfilter

Pidevalt töötav filterseade

Töö: rõhkude vahe Δ𝑝 tekitatakse alarõhuga filterpinna järel (vaakum), mis imeb filtraadi läbi filtripinna. Filterpind liigub läbi tsoonide, kus järjest toimub filtrimine, koogi pesemine ja koogi eraldamine.

Välispinna toimega vaakumtrummelfilter

• trumli välispind liigub läbi tsoonide ning vaakum (alarõhk) tekitab Δp filterpinna üle, nii et filtraat liigub läbi filtripinna ja tahked osakesed jäävad trumli välispinnale koogiks. Pöörlemise käigus toimub järjest filtrimine → koogi pesu → koogi eemaldamine (pidev tsükkel).

pöörlev trummel (drum), millel on filterpind trumli välispinnal

Vaakumlintfilter

• vaakum tekitab Δp üle lindi, filtraat läbib lindi ja tahked osakesed jäävad lindi peale koogiks. Lindi liikumisel toimub järjest filtrimine → koogi pesu → koogi eemaldamine, st protsess on pidev.

 liikuv filterlint (belt), millel asub filterpind

Sadenemine

Gravitatsiooniline sadenemine.

• Sadenemine = heterogeensete süsteemide lahutamine raskusjõu toimel suhteliselt väikeste voogude joonkiiruste juures

• Määravad parameetrid on:

  • sadenemiskiirus,

  • viibimisaeg aparaadis,

  • saadud osakeste suurus.

• Sadenemist saab oluliselt kiirendada, kasutades tsentrifuugi.

• Sadenemist raskusjõu mõjul nimetatakse ka gravitatsiooniliseks sadenemiseks.

Osakeste liikumine fluidumis, üksiku osakese sadenemise režiimid. 

• On tehtud kindlaks, et eksisteerivad erinevad üksiku osakese sadenemise režiimid

  • Need määravad takistust

• Laminaarne režiim: väiksed kiirused ja väikesed osakesed, keha ümber on piirkiht, energiakaod on peamiselt hõõrdetakistusest. 

• Turbulentne režiim: inertsijõud muutuvad oluliseks, piirkiht “rebitakse” lahti, keha taga tekivad keerised, rõhkude vahe suureneb; väljakujunenud turbulentses režiimis võib hõõrdetakistust sageli mitte arvestada, domineerib “rõhutakistus”.

Sadenemiskiirus, selle määramine.

• osakese püsikiirus (terminal velocity), millega osake liigub allapoole siis, kui kiirendus on lõppenud

  • takistusjõud Ft saab võrdseks jõuga , mille toimel osake liigub (F_G - F_A) (raskusjõud - üleslükkejõud), saabub dünaamiline tasakaal. Alates sellest hetkest osake liigub ühtlaselt, püsiva kiirusega

• Kuidas seda määrata:

  • Laminaarne reziim:

    • Stokes´i valemiga

  • Kõikides reziimides:

    • Ar - Re - u_s

Takistatud sadenemine

• toimub piiratud mahus suure tahkete osakeste kontsentratsiooniga süsteemides. Osakeste sadenemiskiirus on väiksem, kuna takistus on osakeste omavahelise kokkupuute tõttu suurem

• tegelik sadenemiskiirus on ½ üksiku kerakujulise osakese sadenemiskiirusest

Diferentsiaalne sadenemine

nt. Koonusklassifikaator

• Osakeste jaotamine fraktsioonideks osakeste sadestamiskiiruste järgi.

Vedelik-vedelik separaator

Sadestamiseks kasutatavad seadmed

Tsentrifugaalsadenemine

• Kui gravitatsiooniline sadenemine ei ole piisavalt efektiivne, eriti siis kui:

  • osakese tihedus on lähedane keskkonna tihedusele ja

  • osakese diameeter on < 5 μm.

• Selliseid osakesi saab eraldada emulsioonidest või suspensioonidest tsentrifugaalväljas.

Raskus- ja tsentrifugaaljõud. 

Raskusjõud on jõud, millega Maa gravitatsioon tõmbab keha alla

Tsentrifugaaljõud on pöörlevas liikumises (nurksagedusega ω\omegaω) kehale “väljapoole” mõjuv jõud

Eraldusfaktor

Tsüklon

• gaas–tahke süsteemi tsentrifugaaljõulise sadenemise aparaadina; tööpõhimõtte mõte on, et pöörlevas voolus paiskab tsentrifugaaljõud osakesed pöörlemisteljelt seina suunas, ning need eralduvad.

Sadestustsentrifuug. Tsentrifugaalfilter.

• Sadestustsentrifuug: eraldus = osakesed/tilgad sadestuvad tsentrifugaaljõu toimel.

• Tsentrifugaalfilter: eraldus = filter + tsentrifugaalväljast tulenev rõhuerinevus, mis surub vedeliku läbi filtri.