Mitä ovat siirtoilmiöt?

Transkriptio

1 Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta 1 AINEEN-, LÄMMÖN- JA LIIKEMÄÄRÄNSIIRTO Kaisu Ainassaari, Piia Häyrynen Prosessi- ja ympäristötekniikka Ympäristö- ja kemiantekniikan tutkimusryhmä Lämmönsiirto Mitä ovat siirtoilmiöt? Energia siirtyy Virtausmekaniikka (liikkeensiirto) Liikemäärä siirtyy Aineensiirto Aine (seoksen joku komponentti) siirtyy Kuvalähde:

2 Mikä siirtoilmiöitä yhdistää? Esiintyvät samanaikaisesti lähes kaikkialla, vaikuttavat toisiinsa Molekulaarisella tasolla ilmiöiden mekanismit ovat hyvin samanlaisia molekyylien välisistä vuorovaikutuksista voidaan johtaa korrelaatioita lämmönjohtavuudelle, diffuusiokertoimelle ja viskositeetille Ilmiöitä kuvaavat matemaattiset mallit samanlaiset analogiaa voidaan hyödyntää ongelmien ratkaisussa Miksi ilmiöiden tunteminen tärkeää? Olosuhteiden valinnalla voidaan hallita ilmiöitä ja ohjata toivottuun suuntaan Matemaattisilla malleilla voidaan ennustaa prosessin käyttäytymistä perusta prosessien suunnittelulle ja käytölle

3 Lämmönsiirto Lämmönsiirto on lämpötilaerosta ja virtauksesta johtuvaa energian siirtoa Lähes kaikki teolliset valmistusprosessit vaativat lämmitystä ja/tai jäähdytystä eli niihin liittyy lämmönsiirtoilmiö. Yleisimpiä lämmönsiirtoon perustuvia yksikköoperaatioita ovat: Haihdutus Kuivaus Kiteytys Tislaus Kuvalähde: +tuuletin/ Ominaislämpökapasiteetti C p [kj/(kg K)] Entalpia eli lämpösisältö h [kj/kg] Lämmönsiirto eli lämpövirta Q = w h = w C p DT [kj/s] Virtaus w [kg/s] Johtuminen Kuljetus Säteily

4 Mekanismit - johtuminen Siirtyvä lämpövirta on suoraan verrannollinen lämmönsiirtopinta-alaan ja lämpötilagradienttiin (eli lämpötilaeroon) Lämmönjohtavuus on aineominaisuus, joka on vakio saman kappaleen eri kohdissa. Joillakin materiaaleilla kuten puulla kuitujen kasvusuunta vaikuttaa kertoimen suuruuteen. Q lämmönjohtavuus A Lämpövuo Q q y = = -k A dt dy T 2 y 2 < T 1 y 1 Mekanismit - johtuminen Aineen eri olomuodoilla on huomattava vaikutus lämmönjohtavuuteen: Kaasuissa molekyylien liikenopeus ja törmäys määräävät johtumisen suuruuden Nesteissä pitkittäiset molekyylien liikkeet ohjaavat johtumista ja se on suurempaa kuin kaasuissa Kiintoaineissa molekyylit ovat tiukemmin sidoksissa toisiinsa ja johtuminen on entistä nopeampaa. Parhaita lämmönjohtimia ovat metallit, joilla on käytettävissään vapaita elektroneja.

5 Mekanismit - kuljetus Lämpö siirtyy virtauksen mukana Virtaus voi olla joko pakotettua tai vapaata Lämpötilaero saa aikaan vapaan virtauksen, jolloin virtaus- ja lämmönsiirtonopeudet ovat pienet Pakotetussa virtauksessa ulkoinen menetelmä aiheuttaa virtauksen Mekanismit - säteily Lämpösäteilyä esiintyy kaikilla lämpötilatasoilla, mutta vasta korkeissa lämpötiloissa, C tienoilla, sen merkitys alkaa tulla huomionarvoiseksi Kappaleeseen tuotu energia (=absorboituminen) aiheuttaa molekyylien ja atomien viritystilan, josta ne pyrkivät tasaantumisilmiön ansioista alempiin energiatiloihin. Tämä purkautuminen vapautuu säteilyn muodossa, jolloin kappale emittoi elektromagneettista energiaa.

6 Kuvalähde: Olomuodonmuutokset ja lämmönsiirto Käytännön lämmönsiirron kannalta tärkeimmät olomuodonmuutoksiin liittyvät ilmiöt ovat kiehuminen ja lauhtuminen Kiehumistapahtumassa, jossa systeemiin lisätään lämpöä faasimuutoksen aikaansaamiseksi lämmönsiirto tehostuu voimakkaasti. Kiehuminen aiheuttaa voimakasta sekoitusta, joka vahvistaa siirtoefektiä Lauhtumisessa latentti (=piilo) lauhtumislämpö vapautuu höyryn tiivistyessä kylmälle pinnalle. Tällöin on kyseessä höyryn kastelämpötilassa tapahtuva kalvo- tai pisaralauhtuminen

7 Lämmönvaihtimet Siirtävät lämpöä kuumasta väliaineesta kylmempään Kaasu-kaasu, kaasu-neste, neste-neste Levylämmönsiirtimet, putkilämmönsiirtimet Prosesseissa kemialliset reaktiot tuottavat lämpöä, jota joudutaan poistamaan lämmönvaihtimella usein reaktion käynnistäminen tai nopeuttaminen vaatii lämpöä, joka tuodaan lämmönvaihtimella lämmönvaihtimilla voidaan siirtää lämpöä prosessin osasta toiseen Yleisin ja monipuolisin lämmönvaihdintyyppi on vaippaputkilämmönvaihdin, jonka etuina on sekä käytön että suunnittelun varmuus. Toinen yleisimmistä lämmönvaihdintyypeistä on levylämmönvaihdin. Se on yleensä edullisin vaihtoehto, mutta käyttöä rajoittavat lämpötila- ja tiiviysongelmat.

8 Mitä on liikkeensiirto? Liikkeensiirto Liikkeensiirto on liikemäärän (p = m v) siirtoa eli virtausmekaniikkaa Virtaavan fluidin kaikki osaset noudattavat mekaniikan peruslakeja I-III kuten kiinteät kappaleet Kappale on levossa tai jatkuvassa suorassa liikkeessä jos ulkoiset voimat eivät vaikuta siihen (kitkaton virtaus) (I) Kappaleen liikemäärän muutosnopeus on suorassa suhteessa käytettyyn voimaan ja vaikuttaa sen suuntaisesti (II) Voima ja vastavoima ovat yhtä suuret mutta vaikuttavat vastakkaisiin suuntiin (III) Liikkeensiirto - mekanismit Liikkeensiirto eli voiman vaikutus näkyy ja tuntuu kaikkien kappaletta liikuttavien voimien summana. Näitä ovat: 1. Virtauksen kuljetus ( joukkoliikenne ) 2. Molekulaarinen siirto (törmäily) 3. Staattinen paine (ulkoinen paine) 4. Potentiaalienergia (maan vetovoima) Kuvalähde:

9 Viskositeetti Virtaava aine eli fluidi on joko kaasu tai neste, joka ei pysyvästi vastusta muodonmuutosta. Eräs fluidin ominaisuus on sen käyttäytyminen leikkausvoimien alaisena. Tätä käyttäytymistä kuvaa viskositeetti m. Viskositeetti on suure, joka kuvaa fluidin partikkelien välisiä kitkavoimia, jotka pyrkivät estämään partikkelien liukumista toistensa ohi. Lämpötilan kasvu pienentää nesteen viskositeettiä ja kasvattaa kaasun viskositeettiä. Huomattava vaikutus mm. Pumppaukseen Sekoitukseen Lämmönsiirtoon Aineensiirtoon Nopeusprofiilin muodostuminen dv t x yx = -m dy Newtonin viskositeettilaki

10 Pintakitka virtauksissa Sisäisen kitkan (=viskositeetin) lisäksi virtausta hidastaa virtaustilan rajapinta tai virtauksen kohtaamat kappaleet, joiden ulkopinnat jarruttavat virtausta Pinnalla on oma virtausta vastustava voimansa eli kitka. Virtauksen ylläpitämiseksi on siihen tuotava ulkopuolelta ainakin kitkaa vastaava energia. Kitka siis syö osan virtauksen kineettisestä energiasta Kitkakerroin Re-luvun funktiona Dimensiottomalla Reynoldsin luvulla kuvataan virtauksen pyörteisyyttä eli turbulenttisuutta. Re-luku muodostuu bulkvirtauksen massavoimien (kuljetus) suhteesta viskositeettiin. Muuttujana Re-luvussa on yleensä virtausnopeus Monimutkaisten virtaustilojen kuvaamisessa käytetään ns. kitkakerroinkuvaajaa, jossa kitkakerroin on esitetty Reluvun funktiona Re = Dvr m D = putken halkaisija v = fluidin nopeus r = fluidin tiheys m = fluidin viskositeetti

11 Aineensiirto Aineensiirroksi kutsutaan sellaista liikettä, jossa molekyylit pyrkivät siirtymään väkevämmästä pitoisuudesta laimeampaan tasoittaen mahdollisesti esiintyneet pitoisuuserot molekulaarinen diffuusio virtauksen aiheuttama aineensiirto Mekanismit - Molekulaarinen diffuusio kaikki molekyylit ovat liuoksessa jatkuvassa liikkeessä (Brownin liike, lämpöliike) molekyylien kineettinen energia riippuu lämpötilasta liikenopeus on sitä pienempi mitä suurempi massa molekyylillä on Termodynamiikan toinen pääsääntö: Eristetyssä systeemissä prosessi etenee spontaanisti suuntaan, missä entropia kasvaa sitä nettovirtaa, jolla molekyylit liikkuvat väkevämmästä pitoisuudesta laimeampaa kutsutaan diffuusioksi

12 Brownin liike Mekanismit - virtaus aineensiirtoon liittyy usein molekulaarisen diffuusion lisäksi myös virtausta väkevissä liuoksissa diffuusio aiheuttaa virtausta æ kokonais - ö ç èaineensiirtoø æ diffuusion ö æ kuljetuksen ö = ç + ç èaih. aineensiirtoø èaih. aineensiirtoø

13 Mikä aiheuttaa diffuusion? Konsentraatiodiffuusio tavallinen diffuusio aiheuttajana konsentraatiogradientti Muita: Painediffuusio z aiheuttajana painegradientti esim. sentrifugi Þ suuret molekyylit ulkokehälle Terminen diffuusio aiheuttajana lämpötilagradientti pienemmät molekyylit konsentroituvat korkeamman lämpötilan alueelle Pakotettu diffuusio aiheuttajana ulkoinen voima, potentiaaligradientti esim. elektrodialyysi Dc A c A Diffuusio huokoisessa kiintoaineessa Vapaa diffuusio: huokonen ei rajoita liikettä Knudsen diffuusio: enemmän molekyylien törmäyksiä seinämään kuin keskenään Pintadiffuusio: pintaan adsorboituneet molekyylit diffundoituvat pinnalla vallitsevan konsentraatiogradientin vuoksi Avustettu diffuusio: huokonen on niin kapea, että tarvitaan jokin muu gradientti konsentraation lisäksi, esim. paine

14 Fick in 1. diffuusiolaki molekulaarinen diffuusio J Az = - D AB dc dz J Az on A:n moolivuo suuntaan z [mol/(m 2 s)] D AB on diffuusiokerroin [m 2 /s] A mol/s c A on A:n konsentraatio liuoksessa [mol/m 3 ] m 2 Fick in 1. diffuusiolaki diffuusio ja virtaus N Az = xa( N A + N B ) - Kuljetus eli virtaus D AB dc dz x A on A:n mooliosuus liuoksessa N A on A:n moolivuo [mol/(m 2 s)] N B on B:n moolivuo [mol/(m 2 s)] A diffuusio huom! J on vuo liikkuvassa koordinaatistossa N on vuo paikallaan pysyvässä koordinaatistossa

15 Diffuusiokerroin D AB Fick n diffuusiolain kerroin [m 2 /s] systeemille ominainen mitä ovat komponentit A ja B, esim. A = happi, B = typpi lämpötila paine koostumus estimointi riippuu olomuodosta: kaasu, neste vai kiinteä J Az = - D AB dc dz A Kaasujen D AB ei juuri riipu koostumuksesta kasvaa lämpötilan kasvaessa pienenee paineen kasvaessa määritys kokeellisesti tai puoliempiirisillä korrelaatioilla (pohjalla kaasujen kineettinen teoria) Slattery T c on komponentin kriittinen lämpötila p c on komponentin kriittinen paine 1 ( ) ( ) M on komponentin moolimassa 3 pca pcb TT ca cb a ja b ovat kokeellisia vakioita Chapman-Enskog s ja W ovat komponentin Lennard-Jones parametrit pd AB 5 12 æ 1 1 ö ç + è M Mø A B 1 2 = a æ ç è T TT ca cb ö ø b D AB = 0, T 3 æ 1 1 ç + è M M ps 2 AB A W D, AB B ö ø

16 Nesteiden D AB riippuu koostumuksesta kasvaa lämpötilan kasvaessa määrittäminen vaikeampaa kuin kaasuille Wilke-Chang D AB T yb M - = 7, ~ 06 m V, B A B D AB x A y on liuottimen assosiaatioparametri m on liuottimen viskositeetti V A on liuenneen aineen moolitilavuus kiehumispisteessään Kiintoaineiden D AB huokosdiffuusio tärkeä heterogeenisessä katalyysissä efektiivinen diffuusiokerroin D = D AB, eff AB f t f on huokoisuusosuus, ottaa huomioon käytettävissä olevan poikkipintaalan pienenemisen t on kiemurtelevuus, >1, riippuu mm. partikkelikoosta, kokojakaumasta, partikkelien muodosta atomien liike kiintoaineen sisällä tärkeä metallurgiassa riippuu voimakkaasti lämpötilasta

17 Diffuusiokertoimien vertailu Kaasut: 0,05 2 cm 2 /s Nesteet: 0, cm 2 /s Kiintoaineet: cm 2 /s Liikkeen-, lämmön- ja aineensiirron analogia Liikkeensiirto: Newton'in viskositeettilaki dv t x yx = -m dy Lämmönsiirto: Fourier'in lämmönjohtavuuslaki q k dt y =- dy Aineensiirto: Fick'in 1. diffuusiolaki J cd dx Az =- AB dz A

18 Teekkariporukka päättää koristella bileitään ilmapalloilla. Punaiset pallot puhalletaan itse, mutta keltaiset pallot täytetään helium-kaasulla. Illalla ihastellaan keltaisia palloja oikeina ilmapalloina, mutta seuraavana aamuna osat ovat vaihtuneet ja keltaiset He-pallot ovat surkean pieniä punaisiin verrattuna. Mitä ilmapalloille tapahtui yön aikana? Aineensiirto prosessilaitteissa - Absorptio Absorptio on tapahtuma, missä aine siirtyy kaasusta nesteeseen fysikaalinen absorptio kemiallinen absorptio Desorptiossa eli strippauksessa aine siirtyy nesteestä kaasuun

19 Absorption sovelluskohteita epäpuhtauksien poisto kaasuseoksista ympäristönsuojelu SO 2, H 2 S, haisevat orgaaniset rikkiyhdisteet osana jonkin tuotteen valmistusprosessia rikinpoisto (H 2 S) öljyjalostuksessa CO 2 poisto vedyn valmistuksessa typpihapon valmistus (NO x + H 2 O) Kuivaus nesteen (veden) poistamista kuiva-aineesta samanaikainen lämmön- ja aineensiirto, lämmönsiirtoa tarvitaan veden höyrystämiseen ja aineensiirtoa höyrystyneen veden kuljettamiseen partikkelin sisällä ja pinnasta pois. A B lämmitysalue B C vakiokuivausalue C D alenevan kuivausnopeuden alue

20 Kuivaus (2) usein viimeinen vaihe ennen pakkausta: kuljetuskustannusten pienentäminen antaa tuotteelle jokin ominaisuus (esim. suola juoksevaksi) elintarvikkeiden säilyvyys liian raju kuivaus voi vaurioittaa tuotetta kiteisen tuotteen kiteet vaurioituvat lääkeaineisiin epäpuhtauksia kutistuminen (paperi), halkeilu (puu) aromiaineiden menetys (hedelmät) Kuivauslaitteita lautaskuivain viirakuivain

21 rumpukuivain kuivattava materiaali rummun ulkopuolella kuivattava materiaali rummun sisällä leijukuivaaja spraykuivaaja

22 Tehtävä Mitä siirtoilmiöitä (aineensiirto, lämmönsiirto, liikemääränsiirto) tarkastelun kohteena olevan tuotantoprosessin eri vaiheissa esiintyy? Mikä on näiden ilmiöiden merkitys (edistävä, haittaava)? Onko esim. prosessivirroilla jotain fysikaalisten ominaisuuksien erityispiirteitä, jotka vaikuttavat siirtoilmiöihin? Miten näihin ilmiöihin (toivottuihin ja eitoivottuihin) pyritään vaikuttamaan? Apukysymyksiä tehtävän tarkasteluun 1 Lämmönsiirto: Onko tarkasteltavassa tuotantoprosessissa prosessivirtoja jotka tarvitsevat lämmitystä/jäähdytystä? Onko prosessissa yksikköprosesseja jotka vaativat tietyn lämpötilan? Esim. reaktoreita jotka toimivat korkeissa lämpötiloissa, katalyyttisiä reaktioita jotka vaativat tietyn lämpötilan jne. Tapahtuuko prosessissa faasimuutoksia? Höyrystyminen, lauhtuminen, kiteytyminen?

23 Apukysymyksiä tehtävän tarkasteluun 2 Liikkeensiirto: Onko prosessissa pumppuja, sekoittimia jne.? Onko prosessissa hyvin viskooseja fluideja? Missä prosessissa on kitkaa joka vaikuttaa liikkeensiirtoon? Apukysymyksiä tehtävän tarkasteluun 3 Aineensiirto: Onko prosessissa erotusoperaatioita joissa tuotevirtauksissa on eri koostumukset kuin syötevirtauksessa? Esim. absorptio, uutto, tislaus, kalvoerotus? Ovatko olosuhteet suotuisat diffuusiolle? Lämpötila, paine? Onko prosessissa päästövirtoja, joissa komponentteja leviää ympäristöön?

24 Tehtävän palautus viimeistään pe sähköpostin otsikko: PYP 1 ryhmä <x> - pdf-tiedoston nimi: 3_<ryhmän no>