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 17.10.2017 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 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? 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 12
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 Miten alat suorittamaan tehtävää? Mihin kysymyksiin haet vastauksia? Mitä (lisä)tietoa tarvitset? Mistä aiot hakea tarvitsemaasi tietoa? Miten? Millaisella aikataululla teet annetun tehtävän? Paljonko varaat siihen aikaa? 13