Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta Aihe 4: Materiaalien kuljetus Tavoite Tavoitteena on oppia millainen rooli materiaalien kuljetuksella on prosessi- ja ympäristötekniikassa - Materiaalin kuljetuksessa huomioitavat asiat - Kuljetukselle asetettavat vaatimukset ja reunaehdot Miksi materiaalin kuljetuksen tarkastelu? - Prosessitarkasteluihin liittyy aina materiaalin siirtoa - Raaka-aineiden kuljetus prosessointipaikalle - Kuljetus prosessivaiheiden välillä - Kuljetus ja sekoittuminen prosessivaiheen sisällä - Tuotteiden (ja jätteiden) kuljetus pois prosessointipaikalta - Aikaansaadun kuljetuksen lisäksi voi olla tarpeen tarkastella myös luonnollisia kuljetusprosesseja - esim. virtaukset vesistöissä - Materiaalinkuljetuksella on merkitystä mm. - toiminnan kannattavuuteen - ympäristövaikutuksiin Nauhakuljettimia raaka-aineenkäsittelyssä. SSAB:n Luulajan tehdas, Ruotsi, 2002. Kuva: Stig-Göran Nilsson (Jernkontoretin arkisto). 1
Sisältö Materiaalin kuljetuksessa huomioitavia asioita Kiintoaineen kuljetus - Kuljettimet, varastointi, vaikuttavat tekijät Fluidien kuljetus - Kuljetus, säilytys, virtausdynamiikka Muita huomioitavia asioita Aiheen 4 tehtävä Materiaalin kuljetuksessa huomioitava Kuljetettava materiaali - Olomuoto - Kiintoaineet Kappaletavara, jauheet - Fluidit Nesteet ja kaasut - Materiaalin heterogeenisyys - Määrä aikayksikössä - Massa, tilavuus - Materiaalin ominaisuudet ja sille asetettavat vaatimukset - Haitallisuus/vaarallisuus ympäristölle - Puhtaus- ym. vaatimukset Kuljetusolosuhteet - Lämpötila ja paine Kuljetettava matka - Etäisyys - Korkeuserot Kuljetustavan ominaispiirteet Mitä vaaditaan? - Nopeus - Hinta - Päästöt, sis. melu 2
Materiaalien kuljetus lähestymistapana? Miksi materiaalien kuljetus on tärkeää prosessi- ja ympäristötekniikassa? - Mitä asioita tulisi pohtia, kun tarkastellaan erilaisia prosesseja materiaalien kuljetuksen näkökulmasta? Pohdi jotain omaan kokemusmaailmaasi liittyvää kohdetta, johon liittyy materiaalien kuljetusta. - Miten materiaalien kuljetus on toteutettu valitsemassasi kohteessa? - Mitkä tekijät vaikuttavat materiaalien kuljetukseen valitsemassasi kohteessa? - Miten materiaalien kuljetusta voisi mielestäsi kehittää valitsemassasi kohteessa? Kiintoaineen kuljetus Kiintoaine - Kappaletavara - Erityistapauksena (yksilö)pakatut materiaalit - Jauhemainen materiaali Erilaisia kuljetustapoja - Hihnakuljettimet - Ruuvikuljettimet - Elevaattorit - Tärykuljettimet - Pneumaattiset kuljettimet - Kuljetusastiat ajoneuvot - Laivat, junat, autot, lentokoneet, jne. Materiaalien kuljetukseen liittyvät myös varastointi ja pakkaus Terästankojen pakkaus ennen kuljetusta asiakkaalle. Ovakon Hälleforsin tehdas, Ruotsi, 2002. Kuva: Stig-Göran Nilsson (Jernkontoretin arkisto). 3
Kiintoainekuljettimen valinta Valinnassa keskeistä - Oikeanlaisen kuljettimen valinta - Kuljettimen oikeanlainen mitoitus Valintaan vaikuttavia tekijöitä Taulukot: Perry s Chemical Engineers Handbook. - Kapasiteetti - esim. ruuvikuljettimet eivät sovi hyvin suurille määrille - Kuljetettava matka - Eri kuljetintyypeillä maksimimatkat, joilla voidaan käyttää - Kuljetussuunta - Vaaka-/pystysuunnassa tapahtuvat kuljetus - Kuljetettavan materiaalin kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet - Raekoko, reaktiivisuus, kovuus, jauheiden juoksevuus, pakkautuvuus, lämpötila, jne. - Prosessin/materiaalin asettamat vaatimukset - esim. jäähtyykö materiaali kuljetuksen aikana - Elinkaaren odote - Hinta ja kustannukset - Eri tekijät ovat riippuvaisia toisistaan Kiintoaineen kuljetukseen vaikuttavia tekijöitä Kuljetettavan materiaalin ominaisuudet - Materiaalin raekoko - Hienoaines, rakeinen, agglomeroitunut - Rakeiden muoto säännöllisyys - Kappaletavara - Materiaalin juoksevuus - Materiaalin kuluttavuus - Hygroskooppisuus veden sitominen - Korrodoiva - Reaktiivinen - esim. haitallisia tai vaarallisia höyryjä/kaasuja vapauttava - Pölyävyys - Kestävyys - Ominaispaino - Huokoisuus - jne. Kuva: Jernkontoretin arkisto. Kivihiiltä koksaamon raaka-aineeksi. SSAB, Luulaja, Ruotsi. 4
Sama kuljetus ei sovi kaikille materiaaleille Rakeistettua masuunikuonaa Terästehtaan sisäisistä kierrätyspölyistä valmistettuja brikettejä Kuvat: Jernkontoretin arkisto. Teräsromua romupohjaisen teräksenvalmistuksen raaka-aineeksi Teräksen valmistuksen jähmettynyttä kuonaa Erilaisia kuljettimia (1/3) Hihnakuljettimet - Käytettäviä erittäin laajalla toiminta-alueella - Kuljetettavat määrät, kuljetusnopeudet, etäisyydet - Kaltevuusmaksimi noin 30 - Yleisemmin alle 20 - Suunnanmuutokset voivat olla haastavia - Investointikustannukset korkeat - Käyttö- ja kunnossapitokustannukset voivat olla korkeat - Käyttöikä oikein huollettuna erittäin pitkä Ruuvikuljettimet - Yksi vanhimmista ja monikäyttöisimmistä kuljettimista - Ei suurille materiaalimäärille Elevaattorit - Yksinkertaisin tapa pystysuoraan kuljetukseen - Voivat olla avoimia tai suljettuja Kuvat: Perry s Chemical Engineers Handbook. 5
Erilaisia kuljettimia (2/3) Tärykuljettimet - Täryn aikaansaanti epäkeskisellä pyörityksellä, sähkömagneettisesti, pneumaattisesti tai hydraulisesti - Materiaali kulkee hyppäyksittäin kuljetustasolla Pneumaattiset kuljettimet - Kiintoaineen kuljetus ilmavirran mukana vaaka- tai pystysuunnassa Ketjukuljettimet - Kouru- eli raappakuljettimet - Lamelli- eli laattakuljettimet - Muut ketjukuljettimet Kuva: Perry s Chemical Engineers Handbook. Erilaisia kuljettimia (3/3) Rullaradat ja rullastot Luisut, kourut ja vastaavat Kiintoaineen saaminen liikkeeseen sekoittimien tai vastaavien avulla Kuljetusastiat, -kontit, jne. - Avoin tai suljettu astia - Onko materiaali suojattava (sää)olosuhteilta? - Onko ympäristö suojattava materiaalilta (esim. pölyt)? - Kuljetus ajoneuvoilla laivat, junat, autot, jne. 6
Leikkausjännitys 17.10.2018 Kiintoaineen kuljetus ja varastointi Kiintoaineen varastointi - Yksinkertaisimmillaan avoin säilytystila - Säilytystila sisätiloissa - Materiaalin suojaaminen sää- ym. olosuhteilta - Ympäristön suojaaminen esim. pölyämiseltä - Erilaiset säilytysastiat, siilot, jne. - Liikutettavat varastointiastiat Kiintoaineen panostus varastoon ja purku varastoinnista - Menetelmän valinta varastointitavan ja materiaalin ominaisuuksien pohjalta - Jatkuvatoimisuus vai panoskohtainen - Kiintoaineen punnitus samassa yhteydessä Varastointiin liittyvät - Materiaalin lajittuminen - Materiaalin pakkautuminen - Fysikaaliset ja kemialliset muutokset Kuvat: Perry s Chemical Engineers Handbook. Fluidien kuljetus Fluidi = Aine, jonka osaset voivat liikkua vapaasti toistensa suhteen - Kaasut (kokoonpuristuvat) ja nesteet (kokoonpuristumattomat) - Fluidien siirron hallinta edellyttää, että tunnetaan, miten fluidit käyttäytyvät leikkausjännityksen alaisina - Virtausdynamiikka - Fluidien käyttäytymisen kannalta keskeistä on hitausvoimien suhde viskoosivoimiin (sisäinen kitka) - Kuvataan ns. Reynoldsin luvun avulla - Matalat Reynoldsin luvut laminaari virtaus - Korkeat Reynoldsin luvut turbulenttinen virtaus Kuvat: Perry s Chemical Engineers Handbook. Leikkausnopeus Keskeisiä ominaisuuksia - Tiheys - Viskositeetti - Ei riipu leikkausjännityksestä newtoniset fluidit - Pienenee leikkausjännityksen kasvaessa pseudoplastiset fluidit - Kasvaa leikkausjännityksen kasvaessa dilatantit fluidit - Virtausnopeus - Paine - Lämpötila 7
Virtausdynamiikka Virtausten mallinnus - Taustalla säilyvyysyhtälöt - Massan, liikemäärän ja energian säilyvyys - Tarkastelu yleensä tilavuusyksiköittäin - Myös materiaalikohtainen tarkastelu mahdollinen - Äärelliset tilavuudet makroskooppiset säilyvyysyhtälöt - Ainetase - Liikemäärätase - Energiatase (mekaanisen energian tase Bernoullin yhtälö) - Differentiaaliset tilavuudet mikroskooppiset säilyvyysyhtälöt - Ainetase jatkuvuusyhtälö - Liikemäärätase Navier-Stokes yhtälöt - Kokoonpuristumattomat, newtoniset fluidit - Dimensiottomat luvut - Käytetään eri mittakaavaisten tapahtumien vertailuun - Laskennallinen virtausdynamiikka - CFD = Computational Fluid Dynamics Taulukot: Perry s Chemical Engineers Handbook. 8
Fluidien kuljetus Virtauksen aikaansaanti - Pumput (nesteille) - Tuulettimet, puhaltimet ja kompressorit (kaasuille) Keskeisiä asioita pumppuja tarkasteltaessa - Imu- ja syöttöpaineet - Painehäviö siirron aikana - Virtausnopeudet Keinot energian siirtämiseksi fluidiin Keskipakopumppu Kuva: Perry s Chemical Engineers Handbook. - Painovoima - Fluiditilavuuden syrjäyttäminen mekaanisesti tai toisella fluidilla - Syrjäytyspumput - Keskipakovoima - Keskipakopumput - Sähkömagneettiset voimat - Liikemäärän siirto - Mekaaniset herätteet - Näiden erilaiset yhdistelmät Fluidien kuljetus Fluidit kuljetetaan yleensä erilaisissa putkissa Putkien suunnittelussa/valinnassa huomioitavia ja arvioitavia asioita - Putken koko - Halkaisija, kuljetusmatkat - Virtausnopeudet ja paineet - Muutokset - Putkimateriaalit - Käyttäytyminen erilaisissa olosuhteissa (T, p) myös nopeiden muutosten vaikutus (esim. lämpöshokit) - Lämmöneristävyys - Mekaaninen ja eroosiokestävyys - Korroosionkestävyys - Kaasunläpäisevyys - Putkiston suunnittelu - Mutkat ja haaraumat - Liitokset ja tiivistykset - Venttiilit Kuva: www.outotec.com 9
Fluidien kuljetus Fluidit kuljetetaan yleensä erilaisissa putkissa Putkimateriaaleja - Metallit - Valuraudat - Teräkset - Ruostumattomat ja muut seostetut teräkset - Nikkelipohjaiset seokset - Alumiini ja alumiinipohjaiset seokset - Kupari ja kuparipohjaiset seokset - Titaani ja titaaniseokset - jne. - Ei-metalliset materiaalit - Muovit - Lasit - Sementit - jne. - Materiaalin valinta käyttökohteen tarpeiden perusteella Kuva: www.outotec.com Fluidien kuljetus ja säilytys Fluidin säilytys edellyttää suljetumman tilan kuin kiintoaineiden - Nesteille vähintään reunallinen astia tai säiliö - Kaasuille suljettu tankki tai säiliö - Sekoitus ja sekoittuminen Tankit ja säiliöt - Normaalipaineiset säiliöt - Painesäiliöt - Materiaalille asetettavat vaatimukset - Mekaaninen, terminen ja kemiallinen kesto - Kaasunläpäisevyys - Seinämäpaksuudet - Kuljetettavat säiliöt Kuva: www.ael.fi 10
Materiaalin heterogeenisyyden vaikutus kuljetukseen Heterogeeninen materiaali asettaa kuljetukselle lisähaasteita, jotka on huomioitava - kuljettimen tyypin, materiaalin ja mitoituksen valinnassa - kuljetusnopeudessa ja kuljettimen kapasiteetissa Esimerkkejä: - Nesteessä tai kaasussa oleva kiintoaines - voi kasaantua tai tukkia putkistoja ja pumppuja - kasvattaa fluidin viskositeettia/virtausvastusta - Nesteessä olevat kaasukuplat - vaikuttavat virtausominaisuuksiin - voivat aiheuttaa suurempaa rasitusta putkiston ja pumppujen materiaaleille - Kiintoaineen sisältämä kosteus - vaikuttaa (hienojakoisen) materiaalin ominaisuuksiin esim. materiaalin paakkuntuminen - esim. kosteus jauhemaisessa aineessa tai kiintoainehiukkaset tai kuplat/pisarat fluidissa Kuva: Salsviken Skuleskoganin luonnonpuistossa, Höga Kusten, Ruotsi, 2018. Muita materiaalin asettamia vaatimuksia Kuljetettava materiaali ei saa kontaminoitua - Puhtausvaatimukset erityisesti elintarvike- tai lääketeollisuuden kaltaisilla aloilla - Myös arkisemmissa valmistusprosesseissa edellytetään tuotteen säilymistä puhtaana Kuljetettava materiaali ei saa saastuttaa tai vaarantaa ympäristöä - Haitalliset, myrkylliset ja vaaralliset aineet Yleisesti ottaenkin kuljetettavan materiaalin tulisi pysyä kuljetus- ja säilytyslaitteistoissa - Jos ei muuta haittaa, niin materiaalihävikki Kuva: YLE Usein yksittäiset virhe-, häiriö-, ongelma- ja rikkoontumistilanteet aiheuttavat suurimmat ongelmat kontaminoitumisen suhteen - esim. Norilsk Nickel, Harjavalta 5 6. 7. 2014 - Lämmönvaihdin rikki, nikkelisulfaattiliuosta jäähdytysveteen ja siitä Kokemäenjokeen 66 000 kg noin 30 tunnissa (norm. alle 550 kg/a) 11
Olosuhteiden ym. asettamia vaatimuksia Kuljetettava matka - Vaakasuunnassa vai korkeussuunnassa? - Tuotantolaitoksen (tai vastaavan) sisäinen vai ulkoinen kuljetus? - Kuljetusaika ja -nopeus? Olosuhteet ja niiden vaikutus kuljetettavaan materiaaliin ja/tai kuljettimeen - Lämpötila ja paine sekä niiden muutokset? - Kosteus? - Reaktiiviset aineet? Kuljetuksen aiheuttamat päästöt ja melu Kuljetuksen kustannukset - Osana kokonaiskustannuksia? Esimerkki kuljetukselle asetettavista vaatimuksista Rautaa valmistetaan perinteisesti masuunissa - Tuotteena raakarautaa, josta jalostetaan edelleen terästä - Yleensä ns. integroidut terästehtaat, joissa raakarauta kuljetetaan sulana terästehtaalle - Vaihtoehtoisesti valu kiinteään muotoon, kuljetus toiseen tuotantopaikkaan, jossa rauta uudelleensulatetaan - Energiatehottomampi ratkaisu Vaihtoehtoisina menetelminä - Suorapelkistysmenetelmät: Tuotteena kiinteää rautaa (DRI) - Sulapelkistysmenetelmät: Tuotteena sulaa rautaa - Molemmissa tapauksissa rauta kuljetettava edelleen teräksenvalmistukseen - Joko samalla tai eri tuotantolaitoksella Valmistetun (kiinteän tai sulan) raakaraudan kuljetuksessa on huomioitava monia asioita Raakaraudan lasku masuunista. SSAB:n Luulajan tehtaat. Lähde: Janne Tikka, Pöyry. Kuvalähde: Stig-Göran Nilsson, Jernkontoretin arkisto, 2002. 12
Esimerkki kuljetukselle asetettavista vaatimuksista Raakaraudan kuljetuksessa huomioitava - Sula raakarauta (joko masuunista tai sulapelkistyksestä) - Säilytysastioiden kestettävä sulaa rautaa (korkea T) - Rauta kuljetettava sulana (riittävä ylilämpö ja/tai eristys) - Kiinteä suorapelkistetty rauta - Suora panostus kuumana jatkoprosessiin, jos mahdollista - Kuljetus kuumana jatkoprosessiin (samalla tehtaalla) - Kuljetin, jos lyhyt kuljetusmatka (n. 100-200 m) - Kuljetus kuumanapitosäiliössä, jos pitempi kuljetusmatka (n. 500-800 m) - Kuljetus kylmänä jatkoprosessiin (toisille tehtaille) - Energiatehottomampaa - Tuote erittäin huokoista metallista rautaa - Hapettuu herkästi vapautuu lämpöä Riski kuljetuksille - Materiaali on briketöitävä tiiviimmäksi (HBI) - Pienempi huokoisuus ei herkkä hapettumiselle - Suurempi tiheys helpompi kuljetuksen kannalta Lähde: Janne Tikka, Pöyry. Kuvalähde: Ian Cameron, 2nd DRI & Minimills conference, 2014. Kuljetukset laajemmin ymmärrettynä Kuljetus tuotantolaitoksen ulkopuolella - Raaka-aineiden ja tuotteiden kuljetus - Putket - Autot, junat, laivat ja lentokoneet Kuljetusta voidaan tarkastella myös luonnonprosessina samojen menetelmien ja tarkastelutapojen hyödyntäminen - Jokien virtaukset tai laajemmin valuma-alueen virtaamat - Virtausmallinnuksella voidaan tarkastella paitsi virtauksia teollisissa prosesseissa, myös mm. - Haitta-aineiden leviäminen vesistöissä - Joen yli rakennetun sillan rakenteiden vaikutus virtauksiin - Savu- tai muiden kaasujen kulkeutuminen ilmassa Kuva: Vinnufossenin vesiputous, Sunndalsøra, Norja, 2018. Lähde: Anna-Kaisa Ronkanen. 13
Kuljetukset laajemmin ymmärrettynä Maantiekuljetukset Suomessa Lähde: Tekniikka&Talous, 2.3.2018. Lähde: Tekniikka&Talous, 2.3.2018. 14
Lähde: Tekniikka&Talous, 20.4.2018. Esimerkki virtauslaskennan hyödyntämisestä luonnonvesissä Taustaa - Pohjavesi kriittinen resurssi yhteiskunnalle/ympäristölle - Pohjavedenotossa on varmistettava, että veden määrä ja laatu ovat riittävät kestävään vedenottoon - Liiallinen vedenotto voi varantaa ekosysteemin vedensaannin - Huonolaatuinen vesi voi olla terveysriski Pohjaveden saastumistilanteissa on tunnettava - Miten haitta-aineet kulkeutuvat? - Mitä haittaa haitta-aineista on ihmisille/ympäristölle? Haitta-aineiden kulkeutumista voidaan mallintaa virtausmallinnusta hyödyntäen - Taustalla luonnontieteet ja matematiikka - Virtausten mallinnus ja aineiden kulkeutuminen Fysiikka - Differentiaalisten virtaus- ym. yhtälöiden ratkaisu Matematiikka - Yhtälöiden ratkaisu käytännössä numeerisesti Tietotekniikka - Haitta-aineiden kulkeutuminen ja reaktiot Kemia - Haitta-aineiden vaikutukset Biologia Lähde: Anna-Kaisa Ronkanen. 15
Materiaalien kuljetus tulevissa opintojaksoissa Erilaisten materiaalien kuljetusta ja kulkeutumista sivutaan lukuisissa opintojaksoissa esim.: - 477052A Virtaustekniikka - 477121A Partikkelitekniikka - 477122A Jauheiden ja suspensioiden käsittely - 488102A Hydrologiset prosessit - 488136S Integrated water resources management - 488139S Surface water quality modelling Kuvat: Anna-Kaisa Ronkanen & Petri Sulasalmi. Tehtävä Kuvaile tarkastelun kohteena olevaa prosessia materiaalin kuljetuksen näkökulmasta - Mitä prosessien välistä aineen siirtämistä (kaasun, nesteiden ja kiintoaineiden) prosessivaiheiden välillä tapahtuu? - Miten kuljetus on toteutettu? - Mitkä ovat kokonaisuuden kannalta keskeisimpiä materiaalin siirtoon liittyviä kysymyksiä? - Mitkä tekijät vaikuttavat materiaalin siirtoon? - Arvioi myös tehtaan ulkopuolisen materiaalin kuljetuksen (esim. raaka-aineiden ja tuotteiden kuljetus) merkitystä. Sopiva pituus 1-3 sivua 16
Miten alat suorittamaan tehtävää? Kunhan tämä tehtävä on tehty, niin kurssi on jo puolivälissä... Mihin kysymyksiin haet vastauksia? Mitä (lisä)tietoa tarvitset? Mistä aiot hakea tarvitsemaasi tietoa? Miten? Millaisella aikataululla teet annetun tehtävän? Paljonko varaat siihen aikaa? 17