Mint ahogy azt már korábban is említettük, az alapmőveletek technológiától független tárgyalásával a vegyipari mővelettan foglalkozik. Ez olyan alkalmazott tudomány, amely a gépekben, készülékekben és berendezésekben végrehajtható mőveletek általános - konkrét gyártási eljárástól független- törvényszerőségeit tárgyalja. Elméleti vonatkozásban a termodinamika és a transzportfolyamatok tudományára épül.
A termodinamikai rendszer az anyagi világ azon része, amelyet a fizikai és kémiai jelenségek vizsgálatára kiválasztottunk. Lehet nyílt, zárt és elszigetelt rendszer, attól függıen, hogy a környezetével milyen kapcsolatban van. Elszigetelt rendszerben a rendszer és környezete között sem energia (hı), sem tömeg (komponens), sem impulzustranszport nem lehetséges.
A termodinamika tudománya két részre oszlik; az egyensúlyi és a nem egyensúlyi rendszerek tárgyalására. Egyensúlyinak (sztatikusnak) nevezzük azokat az idı független rendszereket, melyekben semmiféle makroszkopikus folyamat nem játszódik le a hajtóerık hiánya miatt. A nem egyensúlyi rendszerekben bármilyen makroszkopikus folyamat végbemehet, mivel a hajtóerı nem zérus. A nem egyensúlyi, de idıtıl független rendszereket stacionárius rendszereknek, az idıfüggı rendszereket instacionárius rendszernek nevezzük.
22 A vegyipari technológiák, gyártási eljárások bizonyos vegyipari mőveletek egymásutánjaként értelmezhetık. Ezen vegyipari mőveletek alapegységeit, melyek gépek, készülékek, berendezések lehetnek, mőveleti egységnek nevezzük. A mőveleti egység a munka tárgyának és valamely speciális munkaeszköznek az ember által irányított kölcsönhatása, amelynek eredményeként a munka tárgya nagyobb mértékben átalakul, a munka eszköze kisebb-nagyobb elhasználódástól eltekintve változatlan marad, az ember pedig valamilyen használati értéket termel, és ezekbıl munkaerejét megújítja.
A mőveleti egységek idıbeli lefutásukat tekintve lehetnek szakaszosak, folyamatosak, félfolyamatosak és ciklikusak. A vegyipari mővelettan a zárt-, ill. nyílt rendszer jellegét kizárólag a tömeg (komponens) transzportra korlátozza. Az energia (hı) és impulzus transzportját mind a szakaszos, mind a folyamatos mőveleti egységnél megengedjük [8].
Szakaszos mőveleti egység
A szakaszos mőveleti egység mőködése az alábbi, idıben periodikusan ismétlıdı részmőveletekbıl áll:
- a kiindulási anyagok adagolása;
- a mővelet elvégzése, illetve a folyamat levezetése;
- a készülék kiürítése és újbóli elıkészítése.
A szakaszos gyártásnál szereplı részmőveletek egymásutánja grafikusan ábrázolva az idı függvényében az 1.2. ábrán látható.
1.2. ábra: Szakaszosan mőködı mőveleti egység részmőveletei
A készülék (reaktor) egyszeri feltöltésénél használt nyersanyagait töltetnek vagy „sarzs”-nak (charge) nevezzük. A rendszer és környezete között a mőveleti idı adott tartományában tömeg (komponens) transzport nem engedhetı meg. Ebben az idıtartományban a mőveleti egység tömegtranszport szempontjából zárt rendszernek tekinthetı (pl. keverıs üst reaktor).
23 Folyamatos mőveleti egység
Folyamatos az olyan technológiai folyamat, ahol a gyártásban résztvevı anyagok állandó sebességgel haladnak át a kémiai reaktoron és az egész ipari berendezésen. A kémiai reaktorban (vagy egyéb készülékben) olyan körülményeket kell megvalósítani, hogy a kívánt átalakulás lejátszódjék. A körülmények a paramétereket (hımérséklet, nyomás, töménység, tartózkodási idı stb.) jelentik, melyek a gyártási folyamat optimális lefutásának feltételeit teszik lehetıvé. A képzıdı termék állandó sebességgel távozik a reaktorból és áthalad más készülékeken, ahol a technológiai folyamat egyéb mőveleteit (szőrés, tisztítás, töményítés stb.) végzik el, végül a keletkezett végtermék szintén állandó sebességgel hagyja el az ipari berendezést. A folyamatos mőveleti egység tehát tömegtranszport szempontjából nyílt rendszer, a készülékbe folyamatosan adagoljuk be a kiindulási anyagot, ill. vesszük el a terméket (pl. folyamatos csıreaktor). A folyamatos gyártás jellegét az adja meg, hogy a gyártó berendezés különbözı pontjain más és más paraméter értékek jellemzik az ott uralkodó körülményeket, de azok a készülék vagy a berendezés egy adott pontján állandóak (miután beáll az egyensúly a rendszerben).
A folyamatosan mőködı mőveleti egység mőködését jól szemlélteti az 1.3. ábra felsı része, ahol az alábbi lépéseket lehet nyomon követni:
- A kiindulási anyagok (A, B) elegyítése (1), - Az elegy felmelegítése 80 °C-ra (2),
- 20 percen át tartó, 80 °C hımérsékleten való tartás (3),
- Az elegy lehőtése (4),
- A C melléktermék elválasztása a D fıterméktıl (5).
Ahhoz hogy az adott reakcióelegyet 7 perc alatt kell felmelegíteni a kívánt hıfokra és 7 perc alatt kell lehőteni 20 percen át történı adott hımérsékleten tartás után, elızetes kísérletek voltak szükségesek. Az 1.3. ábra alsó részén az idı függvényében jól látható a hımérsékletprofil alakulása.
24 1.3. ábra: Folyamatosan mőködı mőveleti egység részmőveletei
A folyamatos technológiai folyamatok rendszerint akkor gazdaságosak, ha a kérdéses terméket nagy mennyiségben kell gyártani, a kémiai technológiai folyamat alapját képezı reakció reverzibilis, és ha az gázfázisban játszódik le. Ez azzal magyarázható, hogy a folyamatos mőködéső, korszerő berendezések automatizáltak, az átépítésükhöz szükséges befektetési költségek nagyok, és nehezen térülnek meg kis termelési kapacitás esetén. Reverzibilis reakciókon alapuló gyártási folyamatok (nagy termelési kapacitás mellett) azért vihetık végbe gazdaságosabban folyamatos gyártásmóddal, mivel így a nyersanyagkeverék reaktorbeli tartózkodási ideje (az adott nyomáson és hımérsékleten) úgy állítható be, hogy a már képzıdött terméknek minél kisebb hányada alakuljon vissza kiinduló anyagokká. Ha a reagáló anyagok gázhalmazállapotban vannak jelen a berendezésben, akkor szakaszos munkamód esetén a berendezésnek igen nagyméretőnek kellene lennie, ami növelné a befektetési, karbantartási és általában a termelési költségeket.
A folyamatos mőködéső mőveleti egységek jelentısége és elınye többrétő. Ezek közül a következıket említjük meg:
- a használt berendezés kisebb mérető, termelési kapacitása nagy és könnyen kezelhetı;
- az automatizálási lehetıségek nagyok;
- a kapott termékek tisztábbak, jobb minıségőek;
- a berendezés karbantartási költségei lényegesen kisebbek;
- az energiafogyasztás kisebb stb.
Ha valamely termék mind szakaszos, mind folyamatos gyártással elıállítható, akkor a fı gazdasági szempontok döntik el, hogy végül is melyiket alkalmazzák. Ilyen szempont például az, hogy a szakaszos mőködéső berendezések beruházási költségei rendszerint kisebbek, mint a folyamatosaké, üzemeltetésük viszont drágább a nagyobb munkaerı-szükséglet miatt. A
25 folyamatosan mőködı berendezések beruházási költségeit elsısorban az automatizáláshoz szükséges mőszerek növelik.
Félfolyamatos- és ciklikus technológiai folyamatok
A két határeset között igen gyakori kivitelezési mód a félfolyamatos eljárás, amely a teljesen szakaszos és teljesen folyamatos módszerek közötti átmenetet jelenti. Ennek jellemzıje, hogy annyi azonos rendeltetéső készüléket kapcsolunk sorba, ahány részelemre fel kell bontani a folyamatot. A szakaszos folyamatra bemutatott példát alkalmazva, félfolyamatos eljárás esetén négy készüléket használunk: az 1. számút töltjük, a 2. számúban éppen megy a reakció, a 3. számút ürítjük, a 4.
számút tisztítjuk, majd a szerepek cserélıdnek. Ez esetben a részelemeket éppen végrehajtó készülékek a szakaszosság elve szerint mőködnek, ha azonban az összes készüléket egyetlen egységnek tekintjük, a folytonosság elve érvényesül.
Félfolyamatos az olyan technológiai folyamat, amelyben egyes mőveletek vagy folyamatok szakaszosan, mások viszont folyamatosan játszódnak le. Erre példa a nyersvas elıállítása, ahol az olvasztás állandó jellegő, míg a képzıdött nyersvasnak a kohóból való eltávolítása szakaszosan történik.
Végül említést kell tenni a ciklikus (vagy recirkulációs) mőveleti egységekrıl, amelyeknél a reaktorból távozó, át nem alakult nyersanyagokat visszavezetik a berendezés elejére. Így járnak el például az ammónia szintézisnél, ahol a rendszerbıl távozó hidrogént és nitrogént visszavezetik (recirkuláltatják). A recirkulációt tartalmazó mőveleti egységet az 1.4. ábra mutatja be.
1.4. ábra: Recirkulációt tartalmazó mőveleti egység 1.2.6. Az anyagok útjai
Függetlenül az elızıekben tárgyalt mőveleti egységek alkalmazott típusától, mindegyik esetben igen fontos feladat a vegyipari mőveletekben és folyamatokban résztvevı anyagok meghatározott elvek szerint való vezetése. A haladó mozgásban lévı, egymással érintkezı anyagok relatív útjai az alábbi elvek szerint jöhetnek létre:
- Egyenáram elve: Két anyag egymással azonos irányban halad. Egyenáramban két, a jellemzı paraméter értékeire nézve igen ellentétes állapotú anyag érintkezik elıször. Az
26 anyag haladása során idıben az ellentétes értékek kiegyenlítıdnek és így válnak el (1.5.
ábra).
1.5. ábra: Egyenáram elve
- Ellenáram elve: Az érintkezı anyagok ellentétes irányban mozognak.Ellenáram esetén a haladás teljes idıtartama alatt a paraméterek közötti különbségek nem különböznek olyan élesen (1.6. ábra).
1.6. ábra: Ellenáram elve
- Keresztáram elve: A két haladási irány egymással szöget zár be (rendszerint 900-osat).
Keresztáram esetében általában sokkal rövidebb az érintkezési idı, és csak a lényegesen ellentétes paraméterő anyagok találkoznak (1.7. ábra).
1.7. ábra: Keresztáram elve
Az anyagok útjainak mérnöki megtervezésénél mindig az a döntı szempont, hogy az egymással érintkezı anyagok között az energia- és anyag átadás minél rövidebb idı alatt, minél tökéletesebben menjen végbe.
27 Ha például feladatunk egy 20 °C-os gáznak egy 500°C hımérséklető füstgázzal való felmelegítése
úgy, hogy a csıvezetéken kilépı gáz hımérséklete 300°C körüli legyen, érdemes elgondolkodni
azon, hogy melyik elv alkalmazása nyújtja a hatékonyabb megoldást?
Az említett csıvezetékben áramló gáz füstgázzal történı főtésének példáján keresztül a hımérséklet profilok alakulását egyen- és ellenáram elvét alkalmazva grafikusan az 1.8. ábra mutatja be.
1.8. ábra: Füstgázzal főtött csıvezeték hımérsékletprofilja egyen- és ellenáram elvének alkalmazásával
Látható, hogy egyen áramú érintkeztetés esetén a mőveleti egység hossza mentén a magasabb hımérséklető főtıgáz (piros vonal) egy egyensúlyi hımérséklet eléréséig csökken, miközben hıt ad
28 át a főtendı gáznak (kék vonal), melynek hımérséklete szintén az egyensúlyi hımérséklet eléréséig növekszik. Egy idı után a folyamat termodinamikai hajtóereje tart a nullához. Míg a folyamatos, ellenáramú mőveleti egység alkalmazásakor a hajtóerı nem csökken nullára helyesen beállított terhelések mellett, hanem az oszlop mentén mindenütt véges értéket mutat.
A példa is bizonyítja, hogy mindenképpen az ellenáram elve bizonyul a leghatékonyabb megoldásnak. A melegebb füstgáz ugyanis jobban képes a már ugyancsak meleg gázt még tovább melegíteni, és ugyanígy, a már hidegebb füstgáz még képes a leghidegebb gázt is melegíteni.
Vagy egy másik példa szerint a friss oldószer jobban képes a már kevés kioldandó anyagot tartalmazó szilárd keverékbıl még anyagot kioldani, és a már koncentráltabb oldat még képes a sok kioldandó anyagot tartalmazó keverékbıl még anyagot kioldani. Az a tény, hogy az érintkezés teljes tartalma alatt az átadási lehetıségek kedvezıbbek, részben lecsökkenti az érintkezési idıt, részben növeli a mővelet hatásosságát.
Az egyen- és még ritkábban a keresztáram elv alkalmazását csak különleges esetek teszik indokolttá. Ekkor a folyamatot nem a jó hatásfokú energia- vagy anyagátadás jellemzi alapvetıen, hanem más, egyéb szempontok érvényesülnek.