Kjemisk teknologi : apparatlære 8200283917 [PDF]

Zitiervorschau

Arnvid S. Roald

Kjemisk teknologi — apparatlære

'•'i': jiiuteKet

Universitetsforlaget

* Depotoi ohoteket

© Universitetsforlaget, 1982 ISBN 82-00-28391-7 Det må ikke kopieres fra denne boka ut over det som er tillatt etter bestemmelsene i "Lov om opphavsrett til åndsverk", "Lov om rett til fotografi" og "Avtale mellom staten og rettighetshavernes organisasjoner om kopiering av opphavsrettslig be­ skyttet verk i undervisningsvirksomhet". Brudd på disse bestemmelsene vil bli an­ meldt. Illustrasjoner: Fig. 26 fra Hellsten: Kemi och prosessteknisk handbok, Liber Fig. 22 fra Hansmann: Technische Chemie, Vogel Fig. 32, 36 og 54 fra Brown: Unit Operations, Wiley Fig. 3, 4, 6, 7, 9—13, 41, 62 og 63 fra Søltoft: Kemiske enhedsoperationer, Akade­ misk forlag Fig. 20, 23, 34, 35, 39, 40, 42—44, 47, 49—51, 53, 55 og 56 fra Salminen/Pihkala: Prosessitekniikan yksikkoprosessit, Otava Fig. 21, 30, 45, 52, 57 a og b fra Borregaard Fabrikker Fig. 46 fra Borgestad Fabrikker A/S

Gr -r, vw’“i "fA

BIBLIOTEK^

Omslag: Tor Berglie Trykk: As Bryne, Bjørkelangen, 1982

Forord

Læreboka er skrevet for elever ved kjemiprosessfaglinja i studieretning håndverk og industri. Boka kan imidlertid også benyttes av andre som ønsker å tilegne seg kunnskap om kjemisk-tekniske apparater og forstå­ else for hvordan de forskjellige apparattypene virker. Selv om boka primært er apparatlære, er det i enkelte kapitler tatt med teori for prosessberegning og dimensjonering av apparatur. Dette stoffet er satt med petit. Dette gjør det mulig for de elevene som ønsker det, å få en større fordypning i stoffet og en viss forståelse for det teore­ tiske grunnlaget. Elevene kan imidlertid få full nytte av apparatlæren uten å lese disse avsnittene. Oslo, februar 1982

Arnvid S. Roald

Innhold

Innledning......................................................................................... Røring.............................................................................................. 1.1 Formål med røring.................................................................. 1.2 Røreverktyper......................................................................... 1.3 Røreintensitet............................................................................ 1.4 Oppskalering av røreverk......................................................

7 9 9 10 13 14

2

Knusing, maling, sikting................................................................. 2.1 Generelt..................................................................................... 2.2 Apparatur for knusing........................................................... 2.3 Maling...................................................................................... 2.4 Sikting...................................................................................... 2.5 Sikteanalyser...........................................................................

15 15 16 17 18 20

3

Separasjon av faste stoffer fravæsker........................................... 3.1 Generelt..................................................................................... 3.2 Sedimentasjon......................................................................... 3.3 Filtrering............................................................... 3.4 Sentrifugering.........................................................................

22 22 22 24 29

4 Separasjon av faste stoffer fra gasser............................................ 4.1 Generelt..................................................................................... 4.2 Støvkammer........................................................................... 4.3 Sykloner............................................................................. 4.4 Gassvaskere............................................................................. 4.5 Posefiltre.................................................................................. 4.6 Elektrofiltre..............................................................................

31 31 31 32 32 33 34

5

Tørking.............................................................................................. 5.1 Generelt..................................................................................... 5.2 Apparatur................................................................................

37 37 37

6

Varmeutveksling............................................................................... 6.1 Generelt..................................................................................... 6.2 Apparatur................................................................................

42 42 43

1

7

Inndamping....................................................................................... 7.1 Generelt.................................................................................... 7.2 Apparatur............................................................................... 7.3 Varmeøkonomi......................................................................

46 46 47 48

8

Krystallisasjon................................................................................ 8.1 Generelt.................................................................................... 8.2 Apparatur...............................................................................

51 51 51

9

Destillasjon....................................................................................... 9.1 Generelt.................................................................................... 9.2 Enkel destillasjonsprosess.................................................... 9.3 Rektifikasjon.......................................................................... 9.4 Fraksjonert destillasjon........................................................ 9.5 Kontinuerlig rektifikasjon....................................................

53 53 55 56 58 58

10 Absorpsjon........................................................................................ 10.1 Generelt.................................................................................. 10.2 Absorpsjonsapparatur.........................................................

61 61 61

11 Adsorpsjon......................................................................................... 11.1 Generelt.................................................................................. 11.2 Apparatur.............................................................................

64 64 64

Stikkord .........................................................................................

66

Innledning

En prosess for fremstilling av et ferdigprodukt kan vises i et flytediagram der hver boks angir et separat prosessteg. Som et eksempel viser vi i fig. 1 et enkelt flytediagram for fremstilling av sildeolje og sildemel fra sild som råstoff.

Fig. 1 Prosessdiagram for sildeolje/sildemelproduksjon.

De forskjellige prosesstegene — koking, pressing, sentrifugering, inndamping, tørking og sikting — benyttes også i andre kjemiske prosesser for fremstilling av andre produkter som f.eks. maling og lakk, marga­ rin, kunstgjødsel, cellulose, papir etc. Disse prosesstegene kalles derfor kjemiske enhetsoperasjoner. Av andre enhetsoperasjoner kan nevnes destillasjon, absorpsjon, adsorpsjon, røring og krystallisasjon. En av kjemiingeniørens oppgaver ved anlegg av en ny fabrikk, er å beregne kravene til disse forskjellige enhetsoperasjonene, inkludert mengde varme som må tilføres eller fjernes på hvert steg. Dessuten må han velge apparatur som er passende for prosessen, og som kan gi et ferdig­ produkt med de ønskede egenskapene. Driftsoperatøren har ansvaret for den daglige driften av anlegget for å kunne produsere det som er

7

ønsket. Dette inkluderer overvåking, styring og vedlikehold av prosessutstyret. Apparatlæren vil dekke en del av den kjemitekniske apparaturen som benyttes i disse operasjonene. En vil også komme inn på litt av det teoretiske grunnlaget for beregning og valg av apparaturenhetene.

8

1 Røring

1.1 Formål med røring Som enhetsoperasjon benyttes røring for en rekke forskjellige formål som a) blanding av forskjellige væsker for å unngå konsentrasjonsforskjeller på forskjellige steder i tanken. (F.eks. blanding av for­ skjellige bensinkvaliteter for å oppnå en bensinkvalitet med ønsket oktantall), b) røring for å unngå temperaturforskjeller på forskjellige steder i væs­ ken, og for å fremme varmeovergangen mellom varmeflater eller kjøleflater og væsken. (Ved fremstilling av kunstharpikser er det f.eks. nødvendig å tilføre varme for at prosessen skal gå, og for at vann som dannes, skal drives av. Intens røring er nødvendig for å få en jevn temperatur i hele reaksjonsblandingen, og for å holde den nøyaktige temperaturen som er nødvendig for å få et godt utbytte fra prosessen og en god kvalitet på produktet, c) dannelse av emulsjoner. (En emulsjon er en blanding av veldig små dråper av en væske i en annen væske. Slike emulsjoner kan være stabile, dvs. at væskene ikke skiller seg ved lagring. Ved fremstilling av margarin dannes det først en emulsjon av vann i smeltet fett ved en veldig intens blande- eller røreoperasjon. Dernest avkjøles blan­ dingen, og fettet størkner), d) ekstraksjon av et løselig stoff fra en væskefase til en annen væske fase. Ved røring dannes det dråper, slik at grenseflaten mellom væskene øker. Derfor vil ekstraksjonhastigheten øke tilsvarende. (F.eks. ekstraksjon av penicillin fra en gjæringsvæske med amylalkohol), e) blanding av et fast stoff med en væske, f.eks. når en vil løse opp faste stoffer i væsken (f.eks. sukker i vann), eller ekstrahere et løse­ lig stoff fra faststoffet (f.eks. ekstraksjon av sukker fra sukkerroer) eller for reaksjon mellom et fast stoff og en væske. (Der en må bruke faste katalysatorer for å få en reaksjon til å gå, må katalysato­ rene holdes blandet med væsken. Som eksempel kan nevnes nikkelkatalysatorer som brukes ved herdning av fett), f) dannelse av suspensjoner. (En suspensjon er en blanding av et faststoff med veldig fin partikkelstørrelse i en væske. Maling er f.eks. en suspensjon av pigmenter i en tørrende olje), g) skape kontakt mellom væske og gass (som f.eks. ved herdning av fett eller oljer med hydrogen i nærvær av nikkelkatalysatorer). 9

1.2 Røreverktyper Et røreverk består av rørekaret med eventuelle strømningsbrytere festet til veggen, røreren og driwerket for røreren. Det benyttes forskjellige typer rørere, som propellrørere, turbinrørere og bladrørere. Innen hver klasse finnes det forskjellige utforminger av røreren, avhengig av væskens egenskaper og av den røreintensitet som ønskes. Se figurene 2—5.

Fig. 2 Propellrører

For å oppnå høye skjærkrefter, dvs. krefter som vil rive væskedråpene i små deler og danne emulsjoner, vil en benytte hurtiggående rørertyper med små diametere. For blandingsoperasjoner der en vil unngå at partikler eller dråper blir ødelagt, vil en bruke langtsomtgående rø­ rere med større diameter.

Fig. 3 Turbinrørere med vinger

Uten strømningsbrytere vil røreren sette hele væskeinnholdet i tan­ ken i rotasjon, og det dannes en sugetrakt som vist på fig. 6. Slike røre­ verk gir dårlig rørevirkning, da den relative bevegelsen mellom væskepartiklene er liten.

Fig. 4 Turbinrørere. gitter på to ringer a lukket bunn b lukket topp c åpen

Tovinget bladrører

10

Envinget bladrører

Fig. 5 Bladrørere

Fig. 6 Dannelse av sugetrakt

Ved å anbringe strømningsbrytere langs veggen av karet, som vist på fig. 7 vil en få turbulens i væsken og bedre røreefekt. Derved unngår en også sugetraktdannelse. En kan bruke lederør rundt eller over røreren for å oppnå bedre sir­ kulasjon av væsken i karet, hvis dette er ønskelig, se fig. 8. En kan også dirigere sirkulasjonen ved bruk av gitterturbinrørere ved å lukke bunnen eller toppen av røreren som vist i fig. 4 a og b.

Fig. 8 Bruk av lederør

Fig. 7 Bruk av strømningsbrytere

Fig. 9 Lederør for innsuging av gass

Fig. 10 Ankerrører

11

Fig. 11 Fingerrører

For blanding av tyktflytende væsker eller tykke pastaer benyttes saktegående rørertyper som vist i figurene 10—13. "Fingrene” på fig. 1 1 sitter fast i dekslet for å hindre at hele massen roterer med røreren.

Fig. 12 Planetrøreverk

Planetrøreverket på fig. 12 beveger seg eksentrisk rundt i rørekaret. Dette røreverket er mye brukt i levnetsmiddelindustrien.

Fig. 13 Dobbelskrueelter sett ovenfra (til venstre) og sett fra siden (til høyre) idet endeveggen tenkes fjernet

Eltemaskinen vist i fig. 13 brukes til høyviskøse væsker og masser som brøddeig. For kontinuerlig blanding av lettflytende væsker kan en bruke stat­ iske miksere som er plassert i rørledningen. Disse blander ved å skape turbulens, og trykkfallet av væsken over mikseren gir energi til blandeoperasjonen.

12

En kan også ha motordrevne, kontinuerlige miksere installert i rør­ ledningen. En sentrifugalpumpe vil således også virke som en effektiv mikser av lettflytende væsker.

1.3 Røreintensitet Jo mer arbeid som utføres på væsken av røreren, jo høyere er røreintensiteten. Røreintensiteten angis som W/m3, dvs. effektforbruk pr. volumdel væske som røres. Følgende retningslinjer kan benyttes for vur­ dering av røreintensitet:

meget lav røreintensitet lav røreintensitet middels røreintensitet høy røreintensitet meget høy røreintensitet

20 W/m3 60 W/m3 150 W/m3 400 W/m3 900 W/m3

Effektforbruket ved en røreoperasjon er gitt ved følgende ligning:

N = Ne- q • D^- n3

N Ne q

n

der

er effektforbruket av røreren i W, er effekttallet. Dette er et ubenevnt tall som først og fremst er avhengig av rørertypen, men også litt av hvor hurtig røreren går, er væskens tetthet i kg/m3. er rørerens diameter i m, er omdreiningstallet for røreren i omdr./s.

En ser at for et gitt rørerverk vil effektforbruket og dermed røreintensiteten øke med 3. potens av omdreiningstallet og 5. potens av rørerens diameter. Beregningseksempel: En har et rørekar med diameter 1,2 m utstyrt med 4 strømningsbrytere, bredde 4 cm. Væskehøyden h i karet er 1,5 m. Det benyttes en turbinrører med 6 flate vinger og med en største diameter på 40 cm. Røreren har et omdreiningstall på 120 omdreininger/minutt. Væskens tetthet er 1 000 kg/m3. Fra data i litteraturen har en funnet at effekttallet, Ne, for denne type røreverk er 6,2. a) Beregn røreintensiteten under røringen. b) Beregn omdreiningstallet hvis en ønsker en røreintensitet på 500 W/m3.

Løsning: a) Volumet av væsken: nD2h/4 = n • 1,22 • 1,5/4 = 1,70 m3 Omdreiningstallet: n = 120/60 - 2 omdr./s Effektforbruket: N = Ne • q • D3-n3 = 6,2-1000 • 0,45 • 23 = 508 W Røreintensiteten: 510/1,70 = 299 W/m3 b) Effektforbruket: N = 500- 1,70 = 850 W

Omdreiningstallet: n = V N/(q • D3-Ne) = = V 850/1000 • 0,45 • 6,2 = 2,37 omdr./s => 2,37 • 60 = 142 omdr./min.

13

1.4 Oppskalering av røreverk Ofte blir store røreverk beregnet på grunnlag av resultater en oppnår på mindre røreverk i laboratoriet. Oppskalering av røreverkene gjøres på grunnlag av at det store røreverket skal være likedannet med det lille røreverket, og at røreintensiteten i det store røreverket skal være den samme som i det lille.

Beregningseksempel: En skal oppskalere røreverket under eksempel b overfor til et volum på 4 m3. En antar at effekttallet. Ne, er det samme for begge røreverkene.

Løsning: En beregner en lineær oppskaleringsfaktor som er lik kubikkroten av volumforholdene: f = V 4/1,70 = 1,33

Dimensjonene på det oppskalerte røreverk: Diameter kar: Diameter rører: Høyde på væske i karet: Bredde strømningsbrytere: Kontroll av volumet på det store kar:

1,20,41,5 • 0,04-

1,33 1,33 1,33 1,33

m m m m

= = = =

1,596 0,532 1,995 0,053

n-tf-h/4 = n - l,5962 - 1,995/4 = 3.991 ^4,0 m3 Effektforbruket: N = 500-4,0/1,7 = 1 176 W Omdreiningstallet: n = \J N/p-D^-Ne

= V'l 176/1 000 • 0,5325 • 6,2

= 1,645 omdr./s => 1,645-60 = 99 omdr./min.

KontroIIspørsmål 1. Hvilke rørertyper vil du bruke på lettflytende væsker? På tungtflytende væsker? På en brøddeig? 2. Hvordan kan en oppnå god røreeffekt med en hurtiggående rø­ rer? 3. Hva menes med røreintensitet? Gi et tall for svak røreintensitet, for middels røreintensitet og for sterk røreintensitet. 4. Hvordan vil røreffekten forandres med omdreiningstallet? Med rørerens diameter? 5. Hvilke prinsipper benyttes ved oppskalering av røreverk?

14

m m m m

2 Knusing, maling, sikting

2.1 Generelt Formålet med knusing og maling er å redusere partikkelstørrelsen av fast materiale. Med knusing menes som regel en grovdeling av store klumper, som steinblokker, til relativt store partikler som pukk eller grus. Med maling menes oppmaling av mindre partikler, som korn, til veldig fine partikler som mel. Hensikten med sikting er å fjerne partikler som er større eller mindre enn den ønskede partikklestørrelsen fra produktet. I en kombi­ nert maling-siktingprosess vil det grove materialet resirkuleres til møl­ len for videre oppmaling.

Fig. 14 a Kjefteknuser

15

2.2 Apparatur for knusing For knusing benyttes ofte kjefteknusere og kjeglebrytere som vist i fig. 14 og 15. I kjefteknuseren i fig. 14 er den ene knuseflaten fastmon­ tert og den andre er opphengt øverst i en fast akse. Den nederste delen av flaten vil bevege seg fram og tilbake når eksenteret på drivakselen beveger drivstangen opp og ned. Når kjeften åpner seg. faller de grove stenene nedover knusflaten og blir knust når kjeften lukker seg igjen. Partikkelstørrelsen på det knuste materialet avhenger av den nedre åp­ ningen på kjeften. Denne kan justeres ved å forskyve den fastmonterte siden av driwerket mot venstre eller høyre. Hvis kjeften skulle bli overbelastet, vil skjærpinnene knekke. Disse er lette å skifte ut med nye, og dermed forhindrer en at mer kostbare maskindeler blir ødelagt.

Fig. 14 b Prinsippskisse av kjefteknuser

Fig. 15a Kjeglebryter

16

Øvre omdreiningspunkt

Nedre omdreiningspunkt

Fig. 15 b Prinsippskisse av kjeglebryter

Kjeglebryterens drivakse er montert sentrisk på toppen og eksentrisk på bunnen. Åpningen mellom den fastmonterte, koniske knuseflaten og kjeglen vil derfor variere, slik at materialet vil suksessivt falle ned og knuses. Siden kjegleflaten også roterer om sin egen akse, vil en få knu­ sing ved skjær kraft i tillegg til trykkraft.

2.3 Maling For finere nedmaling av f.eks. sten eller malm, kan en bruke en hammermølle som vist i fig. 16. Partiklene knuses ved slag mot hammerne eller mot vegg eller rister inntil partiklene er blitt så små at de passerer mellom stavene i risten i bunnen av møllen.

Fig. 16 Hammermølle

Fig. 17 Kulemølle

Kjemisk teknologi

apparatlære. Bm.

17

Kulemøller som vist i fig. 17, brukes mye i sementindustrien for å male opp råmaterialet og den ferdige sementen fra klinkeren som kom­ mer ut fra sementovnen. Kulemøllen består av en liggende sylinder som er delvis fylt med stoff som skal males, og med harde kuler av forskjel­ lig størrelse. Når sylindreren roterer, slår kulene mot hverandre og knuser stoffpartikler som befinner seg mellom kulene. Kulemøllen kan også benyttes for våtmaling, f.eks. i malingsindustrien for å "rive” maling. Pigmentpartiklene som tilsettes malingen, be­ finner seg gjerne som klumper, eller aggregater, av enkeltpartikler. Under rivingen blir klumpene knust, og enkeltpartiklene blir spredt jevnt i malingen. Dette er viktig for at malingen skal ha god dekkevne på underlaget.

Fig. 18 Valsemølle

En kan også rive maling på et valseverk, som vist på fig. 1 8. Valsene vil ha økende hastighet og minkende valseavstand fra innløpet til utlø­ pet. Stoffet overføres til den valsen som har den høyeste hastigheten, og stoffet føres derved til utløpet av valseverket, der det fjernes med en fastmontert skrape. Valseverket brukes også til maling av andre stoffer, f.eks. korn til mel.

Fig. 19 Kollergang

Kollergangen brukes ofte i treforedlingsindustrien. Den består av en eller flere tunge hjul som beveger seg mot et plant underlag, som vist på fig. 19. Skraper leder stoffet som skal males, under hjulene.

2.4 Sikting En enkelt sikt vil dele materialet opp i en grov og en fm fraksjon. Ved å bruke flere sikter over hverandre eller etter hverandre, kan en få en eller flere mellomfraksjoner. Maskeåpningen i siktene angis i mm eller

18

i pm for de veldig fine siktene. I England og USA angis maskeåpningen i "mesh” som er antall masker pr. løpende tomme. Det finnes tabeller som angir sammenhengen mellom mesh og mm-åpning.

Fig. 20 Vibrasjonssikt

Fig. 20 viser en vibrasjonssikt med 2 sikter. Denne kan brukes f.eks. til sikting av vaskepulver som kommer ut fra forstøvingstørken. De grove klumpene vil bli fjernet på den øverste sikten, mens det fine stø­ vet går gjennom den underste sikten. Mellomfraksjonen er det ønskede produktet som verken inneholder klumper som løser seg sakte i vaske­ maskinen. eller støv som virker plagsomt når vaskepulveret helles ut av pakken. Partikler som bare er litt større enn maskeåpningen på sikten, har en tendens til å kile seg fast i åpningene, og de vil dermed tette sikten.

Fig. 21 Fabrikkinstallasjon av en vibrasjonssikt

19

Derfor brukes ofte gummiballer som ligger på en grov netting under sikten. Ballene vi slå opp mot sikten fra undersiden og holde åpningene rene.

Fig. 22 Roterende sikt

En kan også benytte roterende sikter som vist i fig. 22, der det fine materialet blir fjernet først, og de groveste partiklene kommer ut i en­ den av sikten.

Fig. 23 Forskjellige typer sikteduk og sikterister

Fig. 23 viser hvordan siktene kan være laget av vevede metallduker eller av jevnstore åpninger i metallplater. Åpningene er vanligvis kva­ dratiske, men en kan også bruke runde eller rektangulære åpninger. I mange tilfeller kan det være fordelaktig å benytte stavrister i stedet for flettede sikter.

2.5 Sikteanalyser Fordelingen av partikkelstørrelser i et stoff bestemmes ved å sikte en viss mengde av stoffet gjennom en serie sikter med stadig finere maskeåpninger. Resultatet angis som hvor mange prosent av stoffet en finner på de forskjellige siktene. 20

Kontrollspørsmål 1. Hva er forskjellen mellom knusing og maling? 2. Hvilke krefter er det som forårsaker knusing og maling i de forskjellige apparattypene (kjefteknuser, kjeglebryter, hammermølle, kulemølle, valsemølle)? 3. Har omdreiningshastigheten noen effekt på maleprosessen i en hammermølle? Hva skjer hvis hammerne roterer for sakte? Har omdreiningshastigheten noen effekt på maleprosessen i en kulemølle? Hva skjer hvis kulemøllen roterer for langsomt? For hurtig? 4. Hva menes med å rive en maling? Hvorfor er det viktig å rive malingen? 5. På hvilke to måter karakteriseres størrelsen på åpningene i en sikteduk? 6. I en roterende sikt kommer stoffet først i kontakt med den fi­ neste duken, mens i en vibrasjonssikt kommer stoffet først i kontakt med den groveste duken. Forklar hvorfor. 7. Hvor mange fraksjoner kan en få i en vibrasjonssikt som er utstyrt med tre sikteduker? 8. Hva er hensikten med gummiballene i en vibrasjonssikt?

21

3 Separasjon av faste stoffer fra væsker 3.1 Generelt Tre forskjellige prosesser som benyttes for å skille faststoff fra væsker, er — sedimentasjon — filtrering — sentrifugering

Disse benyttes i de fleste industrielle prosesser for fremstilling av fer­ digprodukter. I ølproduksjonen blir f.eks. gjæren fjernet fra det ferdige ølet ved sedimentasjon og filtrering. Ved fremstilling av magnesium blir først det utfelte Mg(OH)2 oppkonsentrert i sedimentasjonsbassenger før det går videre i prosessen. Ved fremstilling av soyaolje og soyamel blir først bønnene ekstrahert med et løsningsmiddel, og olje/løsningsmiddelblandingen blir filtrert fra det resterende faststoffet. Løsnings­ middelet fordampes fra oljen og benyttes til nye ekstraksjoner, mens det avfettede faststoffet opparbeides til mel. Disse separasjonsprosessene blir også mye brukt ved rensing av av­ løpsvann og drikkevann. Ofte er det tilstrekkelig for drikkevann å rense det i et sandfilter for å fjerne faste forurensninger som løv og kvister. Ellers tilsettes det ofte jern- eller aluminiumsalter som felles ut som hydroksyder, og som river med seg urenheter i vannet. Disse utfelningene sedimenteres først i store, flate bassenger. Renset avløpsvann blir så sluppet ut i fjorden eller vassdraget. Drikkevann blir oftest renset vi­ dere med filtrering i sandfiltere for å fjerne resterende partikler som ikke har sedimentert. Slam fra slike sedimentasjonsprosesser inneholder som regel mye vann. Det blir derfor oppkonsentrert ved sentrifugering eller ved filtre­ ring på filterpresser.

3.2 Sedimentasjon Når en partikkel synker i vann, vil hastigheten øke inntil friksjonskraf­ ten blir lik tyngdekraften som virker på partikkelen. Partikken vil da synke med en konstant hastighet, som kalles den stasjonære fallhastighet. Den stasjonære fallhastigheten øker med partikkelens størrelse og med økende forskjell i tetthet mellom partikkelen og væsken. Partikke22

len som faller nedover, fortrenger vann som derfor må stige oppover. Jo flere partikler det er i suspensjonen, jo mer vann fortrenges og resul­ tatet er at den stasjonære fallhastigheten minker med økende mengde faststoff i suspensjonen.

Fig. 26 Tykner

Tyknere for suspensjoner er oftest runde, flate, åpne bassenger som vist på fotografiet i fig. 26 og på skissen i fig. 27. Som vist på fig. 27 føres suspensjonen inn sentralt i tykneren og et stykke under overflaten. Ved innføringspunktet vil klart vann stige opp mot overflaten, og de faste partiklene vil synke mot bunnen. Suspen­ sjonen kan ikke tilføres hurtigere enn at vannhastigheten oppover i tan­ ken er lik eller mindre enn synkehastigheten, V, av slammet målt ved sedimentasjonsforsøk på samme type suspensjon.

Innløp

Overløp for klar væske

Klar^/aeske^^

p/, Skraper-

Skrått stilte blader Fig. 27. Prinsippskisse for tykner

^Utløp for tykt slam

Vannet som stiger oppover, vil renne over i overløpsrennene på tyk­ neren. Slammet som synker mot bunnen, vil øke i konsentrasjon med oppholdstiden i tanken. Slammet vil bli skrapt inn mot slamutløpet i midten av tanken av langtsomtgående skraper som vist på fig. 27.

23

Beregningseksempel på tykner En skal beregne arealet. A, og høyden, h, på en tykner som skal behandle kloakk­ vannet fra en by på 50 000 mennesker, idet det gjennomsnittlige vannforbruket er 300 liter/person og dag. Kloakkvannet felles med FeCfi-tilsats. En har foretatt sedimentasjonsforsøk og funnet at synkehastigheten V, av slammet er 1,5 m/time, og at oppholdstiden, r, må være 2 timer for å få den ønskede slamkonsentrasjonen.

Løsning Tyknerens areal beregnes til A = Q/V der Q er volumstrømmen av det klare vannet i m3/time. Denne settes omtrent lik volumstrømmen av kloakkvannet, da volumet av slammet er relativt lite: Q = 0,300-50000/24 = 625 m3/time A = 625/1,5 = 416,7 m2

Tankens diameter =

4-A/n = \'4 • 416,7/it = 23 m

Tyknerens høyde må være slik at oppholdstiden, r, av kloakkvannet i tykneren blir 2 timer:

A •h = Q•t => h = Q-t-A = 625-2-416,7 = 3,0 m

3.3 Filtrering Ved filtrering, som vist i fig. 28, benyttes filterduker eller filterpapir med små åpninger som slipper væsken gjennom, men holder de faste partiklene tilbake. Egentlig kan åpningene i filterduken være større enn partiklene, men partiklene vil bygge broer over åpningene, som vist i fig. 29. Før filterkaken bygger seg opp, vil derfor filtratet ofte være grumset eller uklart. Etter at filterkaken har bygget seg opp, er det egentlig filterkaken som er filtermediet. Forenklet kan en uttrykke filterlikningen ved konstant filtreringstrykk som:

v = △ p/kV der v V k

△p

(1)

= filtreringshastigheten f.eks. i m3/s ved et gitt tidspunkt, r, = filtratvolumet ved det samme tidspunkt, = fil ter konstanten. Denne er avhengig av det stoffet som filtreres og av konsentrasjonen av faststoffet i suspensjonen. = filtreringstrykket, som er det samme som trykktapet over filterkaken. På fig. 28 er det væskehøyden over filterkaken eller filterduken som gir filt­ reringstrykket.

Fra filterlikningen kan en utlede likningen for filtratvolumet etter en filtreringstid, r, idet v = dv/dr:

df/dr V

f Fdr 0

1 ,/2 F2

= bp/kV T

= t±p/k\ dr 0

= C^px/k eller

V = V2- kp-T/k

24

(2)

Fra hastighetslikningen (1) ser en at filtreringshastigheten faller med økende filtratvolum. Etter en tid blir derfor filtreringshastigheten så liten at filtreringen må stoppes, filterkaken fjernes og filtreringen startes på ny. Filtratvolumet ved dette tidspunktet er gitt ved likning (2).

Fig. 28 Filtrering i et nutch-filter

Fig. 29 Utsnitt av filterduk med filterkake

En kan øke filtreringshastigheten ved å øke filtreringstrykket. I et nutchfilter på fig. 28 kan dette gjøres ved å øke væskehøyden. I et luk­ ket filter, som i en filterpresse, kan det gjøres ved å øke pumpetrykket eller ved å bruke vakuum (sug). Filterlikningene gjelder for et filter med et gitt filterareal. Hvis en fordobler filterarealet, vil en derfor også fordoble både filtreringshastig­ heten og filtratvolumet etter en gitt filtreringstid, r. Fig. 30 viser et fotografi av en filterpresse, og fig. 31 viser en skisse. Filterpressen består av rammer og plater som er presset sammen, slik at det er lagt filterduk mellom hver plate og ramme. Suspensjon pum­ pes gjennom kanaler inn i ramme-rommene, gjennom filterduken og inn i platene. Vannet renner nedover riller i platene og ut av filterpressen. 25

Fig. 30 Filterpresse

Duk

Plater

Ramme

Fi lt re r ing

Når rammene er fylt med filterkake, stoppes filtreringen, og filterkaken kan vaskes ved at vaskevann pumpes gjennom separate kanaler inn på annenhver plate, på tvers gjennom filterkaken, inn på de mellomlig­ gende platene og ut av filteret. Deretter åpnes pressen, platene og ram­ mene fjernes fra hverandre og rammene tømmes for filterkake. Så kan rammer, plater og filterduker presses sammen igjen, og en ny filtrering kan begynne. Fordelene ved filterpresser er at en får et stort filterareal og derfor en stor filtreringshastighet, sammenliknet med nutch-filtere. Dessuten kan en bruke høye filtreringstrykk. Fig. 32 viser et fotografi av et åpent Kelly-filter. Fig. 33 viser en prinsippskisse av samme. Filterduken er spent over rektangulære ram­ mer, som under filtreringen befinner seg inne i den lukkede beholderen. 26

Fig. 31 Prinsippskisse for filterpresse

Suspensjonen pumpes inn i beholderen, gjennom filterduken, inn i ram­ mene og gjennom kanaler ut av filteret. Filterkaken legger seg på filterdukene. Når filtrering er over, trekkes rammene med filterduker ut av beholderen. Filterkaken kan løsnes fra filterduken ved å blåse trykkluft inn i rammene. Filterkakene faller ned i trauet, og en ny filtrering kan begynne.

Fig. 32 Kelly-filter i åpen stilling

Fig. 33 Prinsippskisse for et Kelly-filter

Blad f il ter

Fig. 34 viser et fotografi av et kontinuerlig virkende roterende filter. Som vist på fig. 35 roterer den nederste delen av filtertrommelen i et trau der suspensjonen pumpes inn kontinuerlig. Det er lagt en filterduk rundt trommelen, og når det anvendes vakuum, vil filtratet gå gjennom duken, og filterkaken legge seg på duken. Når filterkaken beveger seg ut av suspensjon i trauet, blir den suget tørr. Det blir spylt vann på trommelen for å vaske filterkaken. Filtratet og vaskevannet blir sugd gjennom kanaler inn til senteret av trommelen, der det er en anordning for å pumpe filtratet og vaskevannet videre til separate lagertanker. 27

Fig. 34 Fabrikkinstallasjon av roterende filter

Fig. 35 Prinsippskisse av roterende filter

Tilført råvann

Overløp for vann fra returskylling

Støpt betongvegg Tilførsel av vann for returskylling Sand Port for utløpet av renset vann

Ventil

Stein

/Ribber

'.ol

A a & -a0 * I

Fig. 36 viser et typisk sandfilter brukt for vannrensing. Her er det ingen filterduk, idet det er sanden som er filtermediet. Den fineste san­ den ligger på toppen, og partikkelstørrelsen øker nedover sandsjiktet. På bunnen ligger det grov stein eller pukk. Forurensningene i vannet vil legge seg på toppen av sanden. Noe vil også gå gjennom topplaget og feste seg til sandpartikler lenger nede i sjiktet.

28

Fig. 36 Prinsippskisse av sandfilter. (Ikke til skala)

Når sandfilteret tettes og filtreringshastigheten blir liten, renses filte­ ret ved at det pumpes vann nedenfra og oppover. Vannmengden som brukes, er så høy at sanden blir "fluidisert”. Da vil sandpartiklene be­ vege seg i forhold til hverandre. Derved blir smusspartiklene gnisset løs fra sanden, og de fjernes med skyllevannet. ("Returskylling") Ved slik fluidisering av sanden vil de fineste sandpartiklene helt na­ turlig legge seg øverst og de groveste nederst. En får da den ønskede lagdelingen av sanden når returskyllingen er over.

3.4 Sentrifugering Et legeme med masse m som befinner seg i et felt med aksellerasjonen a, vil påvirkes av en kraft F ifølge formelen F = ma

I et vanlig tyngdefelt er aksellerasjonen a lik g = 9,807 m/s2. I et sentrifugalfelt er a lik F2/r, der V er legemets lineære hastighet og r er radien til legemets sirkelbevegelse. Ved de høye hastighetene en har i sentrifuger, kan en derfor få veldig høye akselerasjoner og derfor meget høye krefter til å virke på partiklene. Sedimentasjonshastigheten av små partikler i en sentrifuge vil derfor være meget høyere enn i et sedimentasjonskar, og en trenger kortere sedimentasjonstid. Dessuten vil de høye kreftene som virker på partikelen, f.eks. i et slam, gjøre at slammet vil bli mye mer konsentrert enn det en får ved vanlig sedimen­ tasjon. Derfor bruker en ofte sentrifuger for å øke konsentrasjonen av slam fra kloakkrenseanlegg. Fig. 37 viser en kurvsentrifuge, som rote­ rer på en aksling. Det faste stoffet i suspensjonen som tilføres sentrifu­ gen, synker til bunns, mens den klare væsken flyter over kanten av kurven, blir oppsamlet av skjoldet og forlater sentrifugen gjennom utlø­ per av skjoldet. Når tykkelsen av sedimentet er blitt så stor at det fyller hele kurven, blir sedimentet fjernet ved at den bevegelige kniven føres opp i sedimentet og skjærer det løst mens sentrifugen fremdeles roterer, slik at det faller ned og forlater sentrifugen gjennom røret som er festet til kniven. Fig. 38 viser hvordan kurvsentrifugen kan benyttes som filtersentrifuge, ved at bunnen er perforert og belagt med en filterduk. Væsken blir presset gjennom filterkaken av de høye sentrifugalkreftene. Når filterkaken fyller hele kurven, vil sentrifugen bli kjørt en stund for å slynge ut væske som befinner seg på de faste partiklene. En får således en meget tørr filterkake. Filterkaken fjernes med en kniv som forklart ovenfor. Denne sentrifugen benyttes ofte til å skille sukker fra moderlut ved krystallisasjonen av sukker fra sukkerløsninger. 29

Fig. 38 Kurvsentrifuge som filtersentrifuge

Fig. 37 Kurvsentrifuge som sedimentasjonssentrifuge

2. Hvilket prinsipp baserer sedimentasjonen seg på? Sentrifugeringen? Filtreringen? 3. Skisser en tykner og forklar virkemåten. Forklar hvordan en kan beregne arealet og høyden av en tykner ut fra sedimentasjonsforsøk. 4. Forklar hvorfor åpningene i en filterduk kan være mindre enn partiklene i faststoffet som skal filtreres ut. 5. Forklar hvorfor filtreringshastigheten minker med tiden. 6. Hvilke fordeler har en filterpresse over et nutchfilter? 7. Forklar virkemåten for et Kelly-filter. 8. Hva brukes sandfilteret oftest til? Hva skjer under returskyl1 ingen av et sandfilter? Hvordan er fordelingen av sanden i 9. Forklar hvorfor sedimentasjonshastigheten er mye høyere i en sentrifuge enn i et sedimentasjonskar. 10. Beskriv virkemåten til en sedimentasjonssentrifuge og en fil­ tersentrifuge. Hvordan fjernes faststoffet uten å stoppe sentri­ fugen?

30

4 Separasjon av faste stoffer fra gasser 4.1 Generelt Støvholdige gasser fra industrien må, av miljømessige hensyn, renses før utslipp. Som et eksempel kan nevnes at avgasser fra jernverk og ferrosilisiumovner inneholder store mengder støv i form av jernoksyder og silisiumdioksyd. Dette var en plage for omgivelsene før avgassene ble renset før utslipp. I mange industrielle prosesser må gassene renses mellom forskjellige prosesstrinn. I svovelsyreproduksjonen må gassene fra røsting av svo­ velkis renses for jernoksydstøv, da dette kan ødelegge katalysatoren i den etterfølgende katalytiske oksydasjon av SO2 til SO3. De viktigste metodene for rensing av gasser er — — — — —

støvkammer sykloner gassvaskere posefiltere elektrofiltere

4.2 Støvkammer I et støvkammer, som vist i fig. 39, vil gassen få tilstrekkelig oppholds­ tid til at støvpartiklene skal falle ned i bunnen av kammeret. En kan her også installere en avbøyningsplate, som vist i fig. 39 b for å for­ bedre effektiviteten av støvutskillelsen. Avbøyningsplaten gir gass og støv en hastighetsretning nedover. Mens gassen avbøyes oppover, vil støvet ha en tendens til å fortsette nedover pga. sin høyere treghet. Støvkammerne virker bra på relativt store og tunge støvpartikler. Små partikler vil følge med gassen.

Fig. 39 Støvkammer

31

4.3 Sykloner I syklonen som er vist på fig. 40, kommer gassen tangentielt inn i den runde sylinderen. Gassen vil da bevege seg i en spiral nedover i syk­ lonen, og deretter i en spiral med mindre diameter oppover mot utløpet i syklonen. Utløp gass

partikler Syklon -ett entra

Fig. 40 Syklon

De faste partiklene vil bli påvirket av sentrifugalkraften: F = mV2 Ir der m er støvpartiklenes masse, V er luftens og støvpartiklenes has­ tighet og r er støvpartiklenes avstand til senteret av syklonen. Partik­ lene vil derfor bevege seg mot syklonens vegg, og deretter gli nedover langs veggen og forlater syklonen gjennom bunnen. Fra likningen over ser en at en får bedre støvutskillelse jo større has­ tighet luften har i syklonen og jo mindre diameteren på syklonen er. Syklonene er mer effektive enn støvkammere, men selv her vil de fine støvpartiklene føres med gasstrømmen ut av syklonen.

4.4 Gassvaskere Disse er mye mer effektive for å fjerne fint støv enn støvkammere og sykloner. Venturivaskeren, som er vist på fig. 41, virker på den måten at vann pumpes inn i gasstrømmen der det er en innsnevring (venturi) i gasskanalen. I innsnevringen vil det være en høy gasshastighet og tur­ bulens som river vannet opp i fine dråper. Støvpartiklene vil feste seg til vanndråpene, og de vil skilles ut sammen med vannet i en syklon-aktig gass/væskeskiller. Støvet og væsken vil synke ned i et 32

sedimentasjonsbasseng, der støvet sedimenteres ut som slam og vannet går i overløp og tilbake til venturiet. Pga. at noe vann fordampes og noe går bort med slammet, tilsettes ekstra vann i nivåtanken.

Fig. 41 Venturi gassvasker

i

Støvholdig vann

Fig. 42 Gassvasker

En annen type gassvasker er vist i fig. 42. Her føres gassen inn i et kammer der det sprøytes inn vann gjennom en serie med dyser. Støvpartiklene som hefter seg ved vanndråpene, vil forlate vaskeren i bun­ nen, mens den rensede gassen løper ut gjennom toppen.

4.5 Posefilter Disse er også mye mer effektive til å fjerne støv enn støvkammere og sykloner. Prinsippet er det samme som ved væskefiltrering. Filtrene er laget i form av poser eller strømper av forskjellig type materiale som ull, bomull, nylon etc. 3. Kjemisk teknologi

33

apparatlære. Bm

BIBLIOTEKET

Posene er i underkant montert over huller i en plate, slik at gassen ledes gjennom hullene inn i posene. Øverst er posene opphengt i ram­ mer som er festet til en rystemotor. Motor for

Fig. 43 Posefilter

Som vist i fig. 43 benyttes det ofte flere filtre i parallell. På figuren er filter nr. 3 koplet ut av den tidsprogrammerte regulatoren. Dette skjer ved at utløpsspjeldet lukkes. Samtidig kopler regulatoren inn motoren som rister posene i dette filteret, slik at støvet faller ned og tømmes ut i bunnen. Viften suger den støvholdige gassen gjennom filter 1 og 2. Når rensingen av filter 3 er ferdig, blir filter 2 koplet ut og renset, deretter filter 1 og så videre. Det er altså alltid to filtre i operasjon og ett under rensing. Ved å anvende poser av varmebestandig materiale, kan en bruke poseflltre også for avgasser med høye temperaturer. Posefiltre benyttes så­ ledes for å fjerne SiO2 fra avgassene fra silisiumovner, f.eks. ved Fiskå Verk i Kristiansand, ved en temperatur på 250—300 °C.

4.6 Elektrofiltre Fig. 44 a viser prinsippet for et elektrofilter. Fra en likestrømkilde blir det påført en høy negativ spenning (30 til 60 kV) på en streng opphengt i et rør, der rørveggen blir positivt ladet gjennom jordingen. Strengen føres gjennom metallet via en isolator. Den støvfylte gassen passerer nå gjennom røret. Pga. den høye spenningen vil strengen sende ut elektro­ ner (stille elektriske utladninger eller coronautladninger) til gassen, og disse vil feste seg på støvpartiklene. Den positivt ladede veggen på røret vil trekke de negativt ladede støvpartiklene til seg. Partiklene vil utlades og gli ned langs veggen og ut av filteret gjennom bunnen. 34

Fig. 44 a—b Prinsippskisse av elektrofilter

Et elektrofilter består av flere rør satt sammen på samme måte som posene i et posefilter, som vist i fig. 44 b. Fig. 45 er et fotografi av et elektrofilter og viser dimensjonene av slike filter.

Fig. 45 Fabrikkinstallasjon av elektrofilter

35

Elektrofiltrene er i stand til å fange opp partikler ned til en størrelse på 10 nm ( = 0,00001 mm). Elektrofiltrene er dyre i anskaffelse og bruk, og de anvendes derfor bare på steder der andre typer filtre ikke er gode nok.

Kontrollspørsmål 1. Hvordan fjernes støv i et støvkammer? Hvordan kan støvkammeret fjøres mer effektivt? 2. Forklar virkemåten av en syklon. Forklar hvorfor syklonens effektivitet øker når syklonens diameter minker (en antar at gassmengden som syklonen skal behandle, er konstant). 3. Forklar hvordan støv fjernes i en gassvasker. Hva er hensikten med venturiet i en venturivasker. 4. Forklar virkemåten av et posefilter. Hvordan rengjøres filte­ ret? Hvorfor brukes det ofte flere filtre i parallell? 5. Forklar virkemåten av et elektrofilter. Hvor effektivt er elektrofilteret sammenliknet med de andre støvrensningsmetodene? Hvorfor brukes ikke elektrofiltre oftere enn det gjøres?

36

5 Tørking

5.1 Generelt Hensikten med tørkeprosessen er å fjerne vann fra det faste stoffet for — å gjøre stoffet mer egnet til sitt bruksformål (f.eks. å tørke klær, tørke trematerialer), — å gjøre stoffet mer lagringsstabilt (f.eks. å tørke klippfisk, tørrfisk, tørrmelk, tørkede grønnsaker som erter), — å redusere transport og lagringskostnader (f.eks. tørking av vaske­ midler fra en oppslemming i vann til et pulver).

Tørking kan defineres som fjerning av vann ved hjelp av luft ved tem­ peraturer under vannets kokepunkt. Oftest vil energien for å fordampe vannet komme fra luften, idet luftens temperatur faller under tør­ kingen. Pga. fordampingen vil stoffets temperatur alltid være mye la­ vere enn lufttemperaturen, så lenge det er fritt vann i stoffet. Derfor kan selv et varmeømfintlig stoff tørkes med luft av høy temperatur.

5.2 Apparatur Fig. 46 viser et fotografi av en tørkesylinder. Fig. 47 a viser en prinsippskisse av en roterende tørke, som opereres i medstrøm, dvs. at luft og stoff beveger seg i samme retning i tørken. Endestykkene på tør­ ken står stille og det er bare selve tørkesylinderen som roterer.

Fig. 46 Tørketrommel

37

b)

Fig. 47

a—b Roterende medstrømstørke

På skissen vil stoffet mates til tørken via en mateskrue ved innløpet av tørken. Varm luft tilføres fra ovnen. Tørkesylinderen er utstyrt med skovler for å løfte stoffet, slik at en får god kontakt mellom stoff og varm luft. Skovlene kan være av forskjellig type, som vist på fig. 47 b. Oppholdstiden av stoffet i tørken er avhengig av skråstillingen av tørkesylinderen. Tørkeluften vil gå gjennom en syklon som fjerner medrevet faststoff før luften suges ut av tørken med viften. I en motstrømstørke vil luft og stoff bevege seg i motsatt retning gjennom tørken som vist i fig. 48.

Fig. 48

I en motstrømstørke vil den varmeste luften være i kontakt med det tørreste stoffet. Stoffets temperatur ut av tørken vil derfor være høyere enn i en medstrømstørke. Den egner seg derfor ikke til varmeømfmdtlige stoffer. Fig. 49 viser prinsippet for en brettørke. Dette kan være store rom hvor f.eks. klippfisk ligger fordelt på brettene på en tralle.

Fig. 49 Brettørke

38

Prinsipp for motstrømstørke

Tørkeluften varmes opp over varmerør (f.eks. damprør) før den blå­ ses forbi stoffet på brettene. Tørkeluften består av en blanding av friskluft og av brukt luft (returluft), da dette gir mest økonomisk drift. Forholdet mellom friskluft og returluft reguleres med spjeldet ved utløpet av bruktluften. Bruktluft ut I

Fig. 50 "Fluid-bed"-tørke

En ”fluid-bed”-tørke er vist i fig. 50. På skissen suges friskluft gjen­ nom et filter med en vifte inn i en ovn der det forbrennes olje. De varme forbrenningsgassene går gjennom en rist som holder på stoffet som skal tørkes. Luften vil ha en så høy hastighet at den "fluidiserer" det faste, pulverformige stoffet. Luften vil løfte opp stoffet slik at par­ tiklene får fri bevegelighet i luftstrømmen. Dette gir en veldig god kon­ takt mellom luften og faststoffet, slik at en får en hurtig og effektiv tør­ king. Det tørkede stoffet forlater tørken ved at det "flyter” over terskelen og ned på transportbåndet. En del av de fine stoffpartiklene vil bli revet med av luften. Mesteparten fjernes i syklonen og returneres gjennom dreieslusen til transportbåndet. Støvet i tørkeluften fjernes i gassvaskeren før luften suges ut i friluft med viften. Fig. 51 viser en ”flash”-tørke (”lyn”-tørke). Navnet kommer av at tørkingen foregår veldig hurtig. Det våte materialet tilføres med en transportskrue og blir blåst med veldig varm luft opp i syklonen der det tørkede stoffet skilles fra tørkeluften. Slike tørker brukes meget for varmeømfmdtlige stoffer som cellu­ lose. Den varme luften vil nemlig avkjøles hurtig når vannet fordamper fra det våte stoffet. I syklonen vil luftens og stoffets temperatur være tilstrekkelig lav til at cellulosen ikke antennes. Fig. 52 viser en valsetørke. Denne brukes til flytende eller pasta-aktige stoffer som såpeløsninger. Tykkelsen av væske/pasta-sjiktet på skis­ sen avhenger av valseavstanden. Valsene oppvarmes innvendig med 39

vanndamp. Valsene blir dermed så varme at vannet delvis koker bort. Det tørkede stoffet skrapes av, og transporteres bort med transportskruer. Vanndampen og luften suges ut gjennom hetten.

Vifte

Fig. 51 "FlastT-tørke

Fig. 52 Flash-tørke-anlegg

40

Fig. 53

Valsetørke

Tørkevalser

Kontrollspørsmål 1. Forklar hva en mener med tørking i motsetning til inndamping. 2. Nevn de forskjellige apparaturtypene som brukes til tørking. 3. Hva menes med en roterende medstrømstørke? Enn motstrømstørke? Hva er hensikten med skovlene i tørkesylinderen? 4. Hva er hensikten med å benytte omluft under tørkingen i en brettørke? 5. Forklar virkemåten i en flashtørke. Hvorfor må en benytte høye temperaturer på tørkeluften? Hvorfor kan en tørke mate­ rialer som ikke tåler høye temperaturer i en flashtørke (f.eks. cellulose)? 6. Hvilke stoffer tørkes på en valsetørke og ikke f.eks. i en rote­ rende tørke? Forklar hvorfor.

41

6 Varmeutveksling

6.1 Generelt Med varmeutveksling mener vi overføring av varme fra ett medium gjennom en vegg til et annet medium. I et sentralvarmeanlegg i en bolig har man varmeutveksling mellom de varme fyrgassene og vannet i varmtvannskjelen. og fra det varme vannet i radiatorene til luften i de forskjellige værelsene i boligen. I radiatoren i en bil har man varmeutveksling mellom kjølevannet og luften som blåser gjennom radiatoren.

I industrien brukes varmeutveksling f.eks. ved — oppvarming og avkjøling av væsker i reaktorer som ved fremstilling av kunstharpikser eller ved fettherdning. — tilførsel av varme for inndamping av løsninger i inndampere, — gjenvinning av spillvarme. Varmen i varme reaktorvæsker kan bru­ kes for oppvarming av de kalde væskene som skal tilføres reakto­ ren. Varm ventilasjonsluft fra fabrikklokaler kan brukes for oppvar­ ming av friskluften som tilføres fabrikklokalene. Varmestrømmen som overføres fra det ene mediet til det andre, f.eks. mellom to væsker, er gitt ved formelen:

Q/t = U-A-btm der

Q/t U A A/,„

= varmestrømmen i W ( = J/s) = varmegjennomgangstallet i W / m2, °C - veggarealet som skiller de to væskene fra hverandre i m2 - midlere temperaturforskjell mellom de to væskene i °C

For å få en høy varmestrøm er det viktig å ha et høyt varmegjennomgangstall. Dette får man ved blant annet å ha en høy hastighet av væskene forbi veggen som skiller væskene fra hverandre, — ha et stort areal av var me veksleren. Dette oppnås i rørsatsvarmeveksleren (se neste avsnitt) ved å benytte rør av liten diameter. Jo —

42

mindre diameter, jo flere rør må benyttes og jo større blir veggflaten som skiller væskene fra hverandre. — høy temperaturdifferans mellom væskene.

6.2 Apparatur De vanligste varmevekslerne er de såkalte rørsatsvarmevekslerne, en slik er vist på fotografiet i fig. 54. I prinsippskissen på fig. 55 kommer den ene væsken, f.eks. den varme væsken, inn gjennom fordelingsrommet for rørene gjennom disse og ut gjennom oppsamlingsrommet ved enden av varme veksleren.

Fig. 54 Rørsatsvarmeveksler

Innløp Utløp for for væske væske fra

Lede-

Innløp for væske til

Fig. 55 Prinsippskisse av rørsatsvarmeveksler

Den varme væsken avkjøles idet den varmer opp den kalde væsken som strømmer mellom kappen på varmeveksleren og utsiden av rørene. Det er lagt ledeplater for væsken på kappesiden, slik at væsken føres på tvers av rørene og opp og ned gjennom varmeveksleren. På den må­ ten får væsken på kappesiden en høyere hastighet, og man får bedre varmeovergang mellom væsken og rørene. Platevarmeveksleren som er vist på fig. 56, er brukt mye i matvareindustrien fordi den er så lett å rengjøre.

43

Fig. 56 Platevarmeveksler tatt fra hverandre

Varmeveksleren består av en rekke plater som holdes fra hverandre i passe avstand med hjelp av pakninger. Platene presses sammen i en presse som vist i fotografiet i fig. 57a. Hullene i platene danner da ka­ naler som leder den kalde og den varme væsken inn på og ut av annen­ hvert platemellomrom. Varmevekslingen skjer her gjennom plateveggen i stedet for gjennom rørveggen i rørsatsvarmeveksleren. Platene er rillet for å gi væskene turbulens og derved bedre varmeovergangen. Platevarmeveksleren er godt egnet for pasteurisering, f.eks. av melk, der en krever hurtig oppvarming og hurtig avkjøling for å drepe bakte­ riene uten at smaken på melken forandres. Varmeveksleren rengjøres ved at den tas fra hverandre slik at platene kan vaskes separat.

Fig. 57 a Sammensatt platevarmeveksler

44

Fig. 57 b Fordampingsvarmeveksler

Kontrollspørsmål 1. Hva menes med varmeutveksling? Nevn eksempler på varme­ utveksling i hjemmet og i industrien. 2. Forklar strømningen av kald og varm væske i en rørsatsvar­ meveksler. Hvordan foregår varmeutvekslingen? Hvorfor be­ nyttes ledeplater? 3. Forklar strømningen av kald og varm væske i en platevarmeveksler. Hvordan foregår varmeutvekslingen? Hvorfor er platene rillet? Hvorfor benyttes denne varmeveksleren mye i matvareindustrien?

________

45

7 Inndamping

7.1 Generelt Med inndamping menes vanligvis oppkonsentrering av en løsning ved å koke bort løsningsmiddelet, f.eks. vann. Det stoffet som oppkonsentreres, er ikke flyktig, og ikke noe av dette stoffet vil finnes i dampfasen. Koksalt fremstilles ved at vann fordampes fra sjøvann i store, grunne laguner ved hjelp av solvarme. Her skjer fordampingen ved direkte til­ førsel av varme. Denne inndampingen kan også skje i inndampere ved at indirekte varme blir tilført gjennom varmevekslere. Selv om indi­ rekte varmetilførsel er det vanligste, kan inndampere også benytte di­ rekte varme. Varm svovelsyre kan fjernes fra ved å lede varme forbrenningsgasser direkte inn i den fortynnede syren. Inndamping brukes ofte i sukkerindustrien for å dampe inn den ren­ sede saften av sukkerrør eller sukkerroer. Inndampingen skjer ofte ved lave trykk og lave temperaturer, slik at sukkeret kan krystalliseres ut etter hvert som vannet fordamper.

I celluloseindustrien inndampes kokevæsken fra sulfitt- og sulfatkokerne for å oppkonsentrere den oppløste ligninen fra trevirket. Varmeenergien i ligninet kan gjenvinnes ved at konsentratet forbrennes i dampkjeler. Kokekjemikaliene gjenvinnes fra asken. Konsentrert kokevæske fra sulfittkokerne kan også benyttes som bindemiddel, eller som tilsats til boreslammet ved boring etter olje. Vanligvis brukes vanndamp som varmekilde ved inndampingen. Det trengs ca 1 kg vanndamp for å fordampe 1 kg vann fra løsningen. Vanndampens temperatur må være ca. 15 °C høyere enn kokepunktet for løsningen som skal inndampes, for å få en hurtig varmetransport. Vanndampens kondensasjonstemperatur øker med trykket: 0,5 1,0 2,0 3.0

atmosfærer ( = atmosfærer ( = atmosfærer (= atmosfærer ( =

ca. ca. ca. ca.

0.5 1.0 2.0 3.0

bar): 81 °C bar): 100°C bar): 120°C bar): 134 °C

Vanndamp med trykk 3 atmosfærer (2 atmosfærer overtrykk) har altså en kondensasjonstemperatur på 1 34 °C.

46

7.2 Apparatur Fig. 58 viser en vanlig vertikalrørsinndamper. Rørsatsen er en varmeveksler der damp kondenserer på kappesiden, og væsken koker i rø­ rene. Dampen fra den kokende væsken river med seg væske oppover i rørene. Væsken vil sirkulere nedover gjennom den sentrale åpningen i varmeveksleren og tilbake til rørene. Det er kontinuerlig tilførsel av væske og fjerning av konsentrat fra inndamperen. Væsken må oppholde seg i relativt lang tid i inndamperen for å få den ønskede konsentrasjonen. Den kondenserte varmedampen fjernes fra dampkappen gjennom en kondenspotte. Denne er utstyrt slik at kondensatet fjernes uten at damp unnslipper dampkappen. Varmedampen inneholder ofte litt luft som vil bli tilbake i damprommet. Denne må fjernes periodevis ved utblåsing gjennom lufteventilen.

Fig. 58 Standard vertikalrørs inndamper

I Kestnerinndamperen på fig. 59 får man en mer skånsom inndampning enn i den vanlige inndamperen, idet oppholdstiden ved koketemperaturen er kort. I denne inndamperen benyttes lange kokerør, og væ­ sken står bare delvis opp i rørene. Under kokingen vil dampen rive med seg væske oppover i kokerørene, slik at væsken vil fortsette å koke i hele rørets lengde. Ved at væske og damp har en høy hastighet gjen­ nom røret, vil en få et høyt varmeovergangstall i denne typen inndampere. Damp og væske skilles i en slags syklon. Konsentratet kan tappes ut etter en enkelt passasje gjennom rørene. Hvis det er ønsket, kan imid­ lertid en del av konsentratet resirkuleres til rørene. 47

Fig. 59 Kestnerinndamper

7.3 Varmeøkonomi De største driftsutgiftene ved en inndampingsprosess er energikostna­ dene ved fremstilling av varmedampen. Varmeenergien som avgis av varmedampen, finnes igjen i avdampen fra væsken som skal inndam­ pes, men ved en lavere temperatur og et lavere trykk enn den opprinne­ lige varmedampen.

Fig. 60 3-trinns inndamper for svartlut fra sulfatkoking

48

Varmeenergien i avdampen kan gjenvinnes ved å bruke den som varmedamp i en inndamper som arbeider ved et lavere trykk, slik at en kan få det nødvendige temperaturfall mellom kondenserende damp og kokende væske. Fig. 60 viser et fotografi av et 3-trinnsanlegg for inndamping av svartluft fra en sulfittkoker. På prinsippskissen i fig. 61 er det angitt som eksempel trykk og tem­ peratur på de forskjellige trinnene for å få et temperaturfall mellom damp og kokende væske på 15 °C i hvert trinn. I eksemplet vil det siste trinnet arbeide ved atmosfæretrykk (ca. 1 bar). Avdampen fra det siste trinnet kan kondenseres ved at kjølevann sprøytes direkte inn i konden­ satoren. Avdampen kan selvfølgelig også benyttes til lawerdige energi­ formål som oppvarming av fabrikklokaler. I stedet for å anvende trykk på trinn 1 og 2, kan det første trinnet ar­ beide ved atmosfæretrykk og de etterfølgende trinn under stigende va­ kuum.

Fig. 6 i Prinsippskisse for 3-trinns inndamper

En annen måte for gjenbruk av dampen, er å komprimere dampen vha. en kompressor som vist i fig. 62. Den tilførte pumpeenergien bringer avdampen opp til det høyere trykket og den høyere temperatu­ ren som kreves av varmedampen. På den måten kan avdamp brukes som varmedamp i samme inndamper. For å starte opp prosessen er det nødvendig å benytte andre varmekilder, f.eks. et elektrisk varmeelement som vist på skissen.

Fig. 62 Inndamper med dampkompresjon

4. Kjemisk teknologi - apparatlære. Bm.

49

Kontrollspørsmål 1. Nevn eksempler på prosesser der en benytter inndamping. 2. Hvor mye varmedamp kreves (omtrent) til fordamping av 1 kg vann fra væsken som skal inndampes? Forklar hvorfor. 3. Hvorfor trengs ca. 15 °C høyere temperatur på varmedampen enn temperaturen av den kokende væsken som skal inndam­ pes? 4. Forklar virkemåten av en standard vertikalrørs inndamper. Hvordan fjernes kondensatet fra dampsiden av varmeveksleren uten at damp unnslipper? Hvorfor må damprommet "luftes”? 5. Forklar hvordan Kestnerinndamperen virker. Hvilken fordel har denne inndamperen sammenliknet med en vanlig vertikal­ rørs inndamper? 6. Hvilke to måter kan brukes for å økonomisere på energifor­ bruket ved inndamping? 7. Forklar hvordan varmedampen blir brukt flere ganger i en flertrinninndamper. Hvorfor er det nødvendig å ha fallende trykk i hver etterfølgende inndamper? 8. Hva skjer ved dampkompresjon? Hvordan benyttes dette prin­ sippet ved varmeøkonomisering ved inndamping?

50

8 Krystallisasjon

8.1 Generelt En av hensiktene ved krystallisasjon er å renfremstille et stoff, idet mesteparten av forurensningene vil bli igjen i moderluten, dvs. væsken som er igjen etter at krystallisasjonen er ferdig. En annen hensikt er å fremstille stoffet i en form og en partikkelstørrelse som er hensiktsmes­ sig for bruken av stoffet. Typiske eksempler er strøsukker og koksalt. For at krystallisasjonen skal foregå, må en sørge for at en har — krystallkim som krystallene kan vokse videre på — overmetning i løsningen som gjør at stoffet krystalliserer ut

Når en først har kim til stede, vil nye kim dannes av seg selv. Antall kim vil bestemme krystallstørrelsen i produktet. Kontroll av kimdannelsen er derfor viktig. Overmetning av løst stoff kan oppnås ved at man damper inn løs­ ningen eller avkjøler en mettet løsning. Inndamping ved vanlig trykk eller ved lavt trykk er vanlig.

8.2 Apparatur Oslokrystallisatoren er en norsk oppfinnelse som ofte brukes når en vil oppnå jevn og stor krystallstørrelse. Fig. 63 viser en Oslo kry stal lisator som virker ved inndamping. Væsken varmes opp og kokes i varme­ veksleren. Den mer konsentrerte løsningen vil siden stige opp gjennom

Fig. 63. Oslokrystallisator som virker ved inndamping

51

en rist ved bunnen av krystallisatoren og opp gjennom et lag av krystal­ ler. Når krystallene når en viss størrelse, synker de til bunns og fjernes. De mindre krystallene holdes svevende av væskestrømmen ("fluidiseres") inntil de har vokst seg store nok til å falle til bunns. Overskudd av fine krystallkim rives med av væskestrømmen til varmeveksleren, der de løses opp ved oppvarming av væsken. Krystallstørrelsen reguleres ved å regulere resirkulasjonshastigheten av løsningen. Jo høyere strømningshastigheten er. jo større må krystal­ lene være før de faller til bunns, og jo flere kim blir revet med av væs­ ken til varmeveksleren. Krysallisatoren virker kontinuerlig, idet ny løsning tilføres ettersom krystaller og damp fjernes.

Kontrollspørsmål 1. Hvilke to betingelser må oppfylles for at en skal få krystallisa­ sjon? 2. På hvilke måter kan en frembringe overmetning i løsningen slik at stoff vil krystallisere ut? 3. Hvilke hensikter har krystallisasjonsprosessen? 4. Hvordan oppnår man den ønskede krystallstørrelsen i Oslokrystallisatoren?

52

9 Destillasjon

9.1 Generelt Destillasjon er en prosess som brukes for å skille stoffer som har for­ skjellige kokepunkter eller forskjellig "flyktighet”. Etanol med koke­ punkt 78 °C skilles fra vann med kokepunkt 100°C ved destillasjon. Stoffet med lavest kokepunkt (høyest flyktighet) vil oppkonsentreres i dampen. Likevektskurvene angir sammensetningen av dampfasen, y, som en funksjon av væskefasen, x. Fig. 64 viser en kurve for en "ideal” blan­ ding. Ideale blandinger sies å følge Raoults lov. Stoffer som er av lik kjemisk sammensetning, som f.eks. benzen og toluen, har tilnærmet slike likevektskurver. (Diagonalen trekkes ofte på slike likevektskurver som en slags hjelpelinje.)

Fig. 64 Likevektskurve for ideal blanding

Væskesammensetning

En væskes damptrykk vil stige med temperaturen, som vist i fig. 65.

E 700 E

Fig. 65 Damptrykk av forskjellige stoffer 5. Kjemisk teknologi - apparatlære. Bm.

10

20

30

40

50 60 70 00

90 100 110 120 130 140 150 160 Temperatur. “C

53

Når en ren væskes damptrykk blir lik trykket over væsken, vil væsken koke. Ved 100 °C er vannets damptrykk 760 mm Hg eller I atmosfære. Vannet vil derfor koke ved 100 °C ved dette trykket. Ved 0,1 atmosfære eller 76 mm Hg, som en kan få når en suger luft ut av en vakuumflaske med en vannstrålepumpe, vil vannet koke ved 46 °C. Ved denne temperaturen er vannets damptrykk nettopp lik 76 mm Hg.

Fig. 66 Raoults lov

I en blanding av 2 ideale væsker. A og B, vil Raoults lov gjelde: = xA • PÅ° Pb - XB‘ Pb° Pa

Raoults lov sier at partialtrykket ( p ) av en komponent i en blanding er proporsjonalt med damptrykket for den rene komponenten ( P° ) og proporsjonalt med molfraksjonen ( x ) av komponenten i blandingen. Molfraksjonen er definert som antall mol av komponenten (A eller B) i 1 mol blan­ ding. En bruker x for sammensetningen av væskefasen og y for sammensetningen av dampfasen. For en binær- eller 2-komponentblanding har en da at: *a + *b =

1 og

Za+^b = ••

Oftest vil en ikke bruke indeksene idet en med x og y mener molfraksjonen for den lettes flyktige komponenten (komponent A). Da blir:

xB = (1 - x ) og yB = (1 - y ) Ved en gitt temperatur vil da totaltrykket, P. være det trykket som blandingen koker ved, som vist på fig. 66:

P - px+ Ph - x- P° + (1 - x ) • Ph Ved en gitt temperatur vil da koketrykket av blandingen variere med sammensetningen av blandingen. Sammensetningen av dampen som koker fra væsken, er gitt ved y (mol av kompo­ nent A i 1 mol damp). Siden molforhold i dampfasen er det samme som trykkforholdet, har vi at:

v = pJP og yB = (I -y ) = Ph/P Siden damptrykket av den dyktigste komponenten A er større enn damptrykket av komponent B ved samme temperatur, vil en få en anriking av A i gassfasen. Det vil si at molfraksjonen i gassfasen (y ) er alltid større enn molfraksjonen i væskefasen for en ideal blanding.

54

Fig. 67 Kokepunkt/duggpunktskurve

x, y

1

Fig. 67 viser en kokepunkt/duggpunktskurve for en ideal binær blanding (også kalt et fasediagram). Ordinaten viser koketemperaturen. eller væskens og dampens tempe­ ratur ved kokepunktet. Absissen viser sammensetningen av væsken og dampen. For en blanding som koker ved temperaturen /,. vil kokepunktskurven gi væskens sammen­ setning og duggpunktskurven dampens sammensetning. Hvis en avsetter sammenhørende verdier for x og y (verdier med samme koke­ punkt. t) på et x, ^-diagram, fåes en likevektskurve som er vist på fig. 64.

Fig. 68 Likevektskurver for aceton/vann (1) og etanol/vann (2)

Fig. 68 viser likevektskurven for aceton/vann (kurve 1). Denne av­ viker fra idealitet. Avviket for etanol/vann (kurve 2) er så stort at en får dannet en azeotrop. En azeotrop er en blanding der væske og damp har samme sammensetning. For etanol/vann er azeotroppunktet ved 96 vekts % etanol ( = 0,91 molfraksjon). Dette er den høyeste konsen­ trasjon av etanol en kan oppnå ved vanlig destillasjon.

9.2 Enkel destillasjonsprosess Ved en enkel destillasjonsprosess vil den lavestkokende komponenten oppkonsentreres i dampen ifølge likevektskurven. Ettersom destillasjonsprosessen skrider fram, blir destillasjonsresten fattigere på den flyktigste komponenten, og dampen vil derfor også bli stadig fattigere 55

på dette stoffet. ( x vil altså flytte seg mot venstre på absissen langs like­ vektskurven når destillasjonen skrider fram, y vil samtidig bli mindre, idet sammenhørende verdier av x og y alltid ligger på likevektskur­ ven.)

Fig. 69 Enkel destillasjonsprosess

Dampen fra kokeren blir kondensert i en vannkjølt kondensator og kommer ut som et flytende produkt slik som det er vist i fig. 69.

9.3 Rektifikasjon Ved rektifikasjon får man en mye skarpere adskillelse av komponen­ tene enn man får ved en enkel destillasjon. Fig. 70 viser en rektifikasjonskolonne der dampen fra kokeren stiger oppover i kolon­ nen i motstrøm mot en væskefase som renner nedover i kolonnen. Ko­ lonnen har flere "bunner” som væsken samles opp på, og som dampen bobler gjennom. Fig. 71 viser en silbunn og en klokkebunn som er la­ get slik at en får god kontakt mellom damp og væske. Væskehøyden på bunnen er avhengig av høyden på overløpet. På en "ideal" bunn vil

Fig. 70 Bunnkolonne

56

dampen som går oppover, være i likevekt med væsken som renner ned­ over fra den samme bunnen. Derfor vil dampen bli anriket på den flyktigste komponenten oppover i kolonnen, og væsken bli anriket på den minst flyktige komponenten, ettersom den flyter nedover i kolonnen.

Væskestrøm l^Nedløpsrør Over' løp Silbunn

Væskestrøm

Dampstrøm Dampstrøm

Fig. 71 Bunntyper

Dampstrøm Væskestrøm

SILBUNN

I Væske­ strøm

KLOKKEBUNN

Fig. 72 Fylt kolonne

I stedet for bunner kan man benytte fyllmateriale for å få kontakt mellom damp og væske som som vist i fig. 72. Væsken flyter nedover kolonnen på overflaten av fyllegemene, mens dampen stiger oppover i åpningene mellom fyllegemene. Fig. 73 viser forskjellige typer fyllegemer, som er laget slik at man får en stor overflate og dermed stor kon­ taktflate mellom damp og væske.

Fig. 73 Forskjellige typer fyllmateriale

57

9.4 Fraksjonert destillasjon Ved hjelp av en god rektifikasjonskolonne med mange bunner kan man skille to eller flere komponenter fra hverandre ved fraksjonert destilla­ sjon. Damptemperaturen er et mål på sammensetning av dampen.

Ren konponent 1

Destillatvolum

Hvis en måler temperaturen på toppen av kolonnen ved destillasjon av en 4-komponentblanding, kan man få et diagram som vist i fig. 74. Så lenge temperaturen er konstant og lik kokepunktet av komponent 1 vil vi få bare komponent 1 i destillatet. Når temperaturen begynner å stige, vil man ha en blanding av komponentene 1 og 2. Når temperatu­ ren stabiliserer seg på kokepunktet av komponent 2, vil destillatet inne­ holde en ren komponent 2 osv. Mot slutten av destillasjonen, når tem­ peraturen stabiliserer seg på kokepunktet av den siste komponenten, vil kolonne og koker være fylt av denne siste komponenten. Jo bedre effektiviteten av kolonnen er, jo mindre volum av blandingsprodukter og jo større volum av rene komponenter vil man få.

9.5 Kontinuerlig rektifikasjon Industrielle destillasjonsprosesser er oftest utført ved at den urene væs­ ken pumpes kontinuerlig inn i selve kolonnen, og topprodukt (destillat) og bunnprodukt (destillasjonsrest eller remanens) fjernes kontinuerlig. I den øvre delen av kolonnen vil dampens sammensetning bli stadig ri­ kere på den flyktige komponenten. Denne delen kalles for "forsterke­ ren”. I den nedre delen av kolonnen drives den flyktige komponenten mer og mer ut av væskefasen. Denne delen av kolonnen kalles derfor for "avdriveren”. Ved fraksjonering av råolje tar man ut flere fraksjoner fra en enkelt destillasjonskolonne. Disse fraksjonene er ikke rene stoffer, men består av blandinger av forskjellige hydrokarboner. Bunnproduktet kan bru­ kes som tung fyringsolje, men kan også vakuumdestilleres til bl.a. smø­ reoljer og asfalt. 58

Fig. 74 Fraksjonert destillasjon av 4komponentblanding

Bensin

væske

Damp iBunnprodukt Fig. 75 Kontinuerlig rektifikasjon

Fig. 76. Råoljefraksjonering

Fig. 77. Destillasjonstårn ved oljeraffineriet på Mongstad

59

Kontrollspørsmål 1. Hva angir damp/væske-likevektskurven? 2. Hva menes med en azeotrop? Ved hvilken etanolkonsentrasjon ligger azeotropen for etanol/vann? 3. Skisser apparaturenhetene en trenger for å utføre en enkel des­ tillasjon, en rektifikasjon. 4. Hva er prinsippforskjellen mellom en enkel destillasjon og en rektifikasjon? 5. Hva er hensikten med bunnene i en rektifikasjonskolonne? Hvordan reguleres væskestanden på bunnene? 6. Hva er hensikten med fyllegemene i en fylt kolonne. 7. Vis ved en skisse hvordan en kan benytte temperaturen på top­ pen av kolonnen til å følge fraksjoneringen av en 3-komponent blanding og til å forutsi renheten av produktene. 8. Vis ved en prinsippskisse hvordan en kontinuerlig rektifika­ sjon skiller seg fra en satsvis rektifikasjon.

60

10 Absorpsjon

10.1 Generelt Gasstrømmer inneholder ofte komponenter, som enten må fjernes fordi de er skadelige, eller gjenvinnes, fordi de er verdifulle. Når man brenner kull eller tungolje, som inneholder mye svovel, vil røykgassene ha et høyt innhold av svoveldioksyd (SO2). Dette vil oksy­ deres i luften til SO3, reagere med vann og danne svovelsyre. Svovelsy­ ren er den viktigste årsak til forsurning av vassdragene våre. Svoveldioksydet kan fjernes fra røykgassene før utslipp ved absorpsjon i vann eller en oppslemming av kalk i vann. Ved fremstilling av ammoniakk ved Norsk Hydro på Herøy vil prosessgassene inneholde store mengder karbondioksyd (CO2). Disse fjer­ nes før ammoniakksyntesen ved absorpsjon i vann eller i organiske løs­ ningsmidler som etanolamin. Når ammoniakk forbrenner i luft, dannes det nitrogenoksyder. Disse absorberes i vann, der de reagerer med vannet og danner salpetersyre (HNO3). Også denne prosessen brukes av Norsk Hydro. For absorpsjonen må en bruke en absorpsjonsvæske der den gasskomponenten som skal fjernes, er løselig, mens hovedmengden av gas­ sen ikke er løselig. Absorpsjonsvæsken kan benyttes om igjen etter at den løselige komponenten er fjernet ved "stripping”. Strippingen består i å blåse f.eks. luft gjennom løsningsmiddelet. Luften vil rive med seg den løselige gassen. (Dette kan bare gjøres dersom den løselige gassen er ufarlig for miljøet.)

10.2 Absorpsjonsapparatur Den enkleste typen absorpsjonsapparatur er et absorpsjonskar som gas­ sen ledes gjennom. Der hvor løseligheten av gasskomponenten er høy, er et slikt apparat tilstrekkelig. Luft kan f.eks. tørkes ved at vanndam­ pen i luften absorberes av svovelsyre slik det er vist i fig. 78. I industrielle absorpsjonsprosesser benyttes helst høye tårn som er fylt med fyllegemer på samme måte som fylte destillasjonstårn. Væsken pumpes inn på toppen av tårnet og renner nedover overflaten på fylllegemene. Gassen ledes inn ved bunnen av tårnet, og stiger oppover i åp­ ningene mellom fyllegemene. Man får da en meget stor kontaktflate mellom gass og væske. Prosessen virker etter motstrømsprinsippet. Etter hvert som gassen 61

blir befridd for den løselige komponenten, møter den stadig friskere væske som er i stand til å fjerne restene av oppløselig gass fra gassstrømmen. På toppen kommer gassen i kontakt med helt frisk væske før den forlater tårnet. Fig. 78. Absorpsjonskar

Sprededyse

Væskeinnløp

Gassutløp

Fyllmateriale

Gassinnløp

Bærerist for fyllmaterialet

Væskeutløp

Fig. 79 Motstrøms absorpsjonskolonne

Fig. 80. Kombinert absorpsjons- og strippeprosess

Det er viktig at væsken er godt fordelt over fyllegemene, slik at en unngår "kanalisering”, dvs. at væsken renner nedover på den ene siden av tårnet, mens gassen stiger oppover på den andre siden, uten at strømmene får kontakt med hverandre. For å unngå kanalisering, må man ha en viss størrelse på væskestrømmen, slik at det er nok væske til å fukte overflaten på alle fyllegemene. Et absorpsjonstårn brukes ofte i forbindelse med et strippetårn, hvis løsningsmiddelet skal gjenvinnes og brukes om igjen. Fig. 80 viser et eksempel på en slik kombinasjon, der gasstrømmen renses for CO2 ved absorpsjon, og der CO2 fjernes fra absorpsjonsvæsken ved stripping med luft.

62

Fig. 81. Absorpsjonstårn ved ammoniakkfabrikken. Norsk Hydro

Kontrollspørsmål 1. Nevn eksempler på absorpsjonsprosessen. 2. Hvilke krav stilles der til løsningsmidler som skai benyttes i en absorpsjonsprosess? 3. Hva menes med stripping? Når benytter man stripping? 4. Hva er hensikten med å fylle absorpsjonstårnet med fyllegemer? 5. Hva menes med kanalisering? Hvorfor er dette uheldig? Hva må man gjøre for å hindre kanalisering? --- -----------------------------------63

11 Adsorpsjon

11.1 Generelt Ved adsorpsjon vil forurensninger i gasser eller væsker feste seg til overflaten av faste stoffer. Det faste stoffet som brukes i adsorpsjonsprosesser, kalles for adsorbens. Vanlige adsorbenser er

— silikagel — aktivert aluminiumoksyd (A12O3) — aktivert kull Adsorbensen foreligger som et pulver eller granuler. Partiklene er åpne og fulle av små porer, slik at de har en meget stor overflate, f.eks. 100 m2/ml stoff. De forskjellige forurensningene bindes med forskjellig styrke til ad­ sorbensen. Store, organiske molekyler bindes spesielt godt fast. Derfor kan lukt, smak og farge, som ofte forårsakes av slike store, komplekse molekyler, fjernes effektivt fra væsker og gasser. Silikagel brukes ofte for å fjerne fuktighet fra gasser. Når silikagelen er mettet med vann, kan den regenereres ved å blåse varm luft gjennom materialet. Aktivt kull brukes for å fjerne smaksstoffer og fargestoffer, f.eks. fra sukkerløsninger under raffineringen, eller rensingen av sukker. Ved fremstilling av sprit fra poteter, blir også spriten renset for uønskede smaksstoffer ved adsorpsjon med aktivt kull. Mange bryggerier må rense vannet som brukes til ølbrygging, fordi drikkevannet, som bryg­ geriet har tilgjengelig, ikke er smakfritt nok. Trykkfargene i trykkeriene inneholder løsningsmidler som f.eks. toluen, som vil fordampe fra det trykte papiret. Dette forurenser luften i trykkeriet. Ved å blåse ventilasjonsluften fra trykkpressen gjennom ak­ tivert kull, vil kullet adsorbere toluenet og rense luften. Dessuten kan man gjenvinne det dyre løsningsmiddelet ved å varme opp kullet slik at toluenet koker av.

11.2 Apparatur Gassen eller væsken som skal renses, pumpes gjennom tårn eller behol­ dere som er fylt med adsorbensen. Vanligvis brukes et batteri på to el­ ler flere beholdere, slik at en beholder er i drift mens en annen regene­ reres. Dette er vist på lufttørkeanlegget på fig. 82.

64

Fig. 82 Anlegg for tørking av luft ved adsorpsjon

Under operasjon blåses den fuktige luften nedenfra og oppover gjen­ nom beholderen. Ved regenerering blåses varm luft ovenfra og ned gjennom beholderen og fordamper vannet fra silikagelen. Vannet fjer­ nes fra luften ved avkjøling og kondensasjon. Luften varmes derefter opp igjen og resirkuleres til silikagelen som er under regenerering.

Kontrollspørsmål

1. Hva menes med adsorpsjon? Hvordan skiller adsorpsjon seg fra absorpsjon? 2. Hva brukes adsorpsjonsprosessen til? Nevn eksempler på for­ skjellige anvendelser av prosessen. 3. Hva menes med en adsorbens? Hvilken adsorbens vil du bruke for å tørke en gass? For å fjerne lukt- og smaksstoffer fra en gass eller væske? 4. Hvoran regenereres adsorbensen?

65

Stikkord

A absorpsjon 61 absorpsjonskar 62 f absorpsjonsprosesser, industrielle 61 adsorbens 64 adsorpsjon 64 aktivert aluminiumoksyd aktivert kull 64 ankerrører 11 avbøyningsplate 31 "avdriveren” 58 azeotrop 55

64

B brettørke 38 bunnkolonne 56 bunntyper 57

filterkake 24 filterpresse 26 filtersentrifuge 29 filtertrommel 27 filtrat 24 filtrering 24 filtreringshastighet 25 fmgerrører 12 ”flash”-tørke 40 f "flyktighet” 53 flytediagram 7 ”Fluid-bed"-tørke 39 fordampingsvarmeveksler 45 "forsterkeren” 58 fraksjonering av råolje 58 fraksjonert destillasjon 58 fyllmateriale 57 fylt kolonne 57

C

G

celluloseindustrien coronautladninger

gassvasker

46 34

33 f

hammermølle

damptrykk 53 destillasjon 5 3 destillasjonsprosess, enkel destillasjonsrest 5 8 destillat 58 dobbeltskrueelter 12

laboratoriesikter for sikteanalyser 21 likevektskurvene 53

medstrømstørke, roterende 38 midlere temperaturforskjell 42 molfraksjon 54 motstrømsabsorpsjons kolonne 62 motstrømstørke 3 8

17

I 55

L

M

H

D

klokkebunn 56 knusing 16 kokepunkt/duggpunktskurve 5 5 koksalt 46 kollergang 18 kondensator 56 kondenspotte 47 kontinuerlig rektifikasjon 59 f krystallisasjon 51 krystallkim 51 krystallstørrelse 51 kulemølle 17 f kurvsentrifuge 29

industrielle absorpsjons­ prosesser 61 inndamper med dampkompresjon 49 inndamping 46

O oppskalering av røreverk Oslokrystallisatoren 51

E ekstraksjon 9 elektrofilter 34 f emulsjoner 9 enkel destillasjonsprosess

F filter, roterende filterduk 24

66

28 f

K

55

"kanalisering” 62 Kelly-filter 27 f Kestnerinndamperen 48 f kimdannelse 51 kjefteknuser 15 f kjeglebryter 16 f kjemiske enhetsoperasjoner

P

7

partialtrykk 54 pasteurisering 44 planetrøreverk 12 platevarmeveksler 44 f posefilter 3 3 propell rører 10

14

R Raoults lov 53 regenerering 65 rektifikasjon 56 rektifikasjon, kontinuerlig 59 f rektifikasjonskolonne 56, 58 remanens 5 8 returskylling 29 roterende filter 28 f roterende medstrømstørke 3 8 roterende sikt 20 røreintensitet 13 røreverk 10 røreverk, oppskalering av 14 røring 9 rørsatsvarmeveksler 43 rystemaskin for sikteanalyser 21 råoljefraksjonering 59

S sandfilter 22, 29 sedimentasjon 22 sedimentasjonshastighet

29

sentrifugal felt 29 sentrifuge 29 sentrifugering 29 separasjonsprosess 22 sikteanalyser 20 sikteduk 20 sikterister 20 sikting 18 silbunn 56 silikagel 64 skjærepinner 16 slam fra kloakkrenseanlegg standard vertikalrørs inndamper 47 stasjonær fallhastighet 23 stavr ister 20 stille elektriske utladninger strippetårn 62 "stripping" 61 strømningsbryter 11 støvholdige gasser 31 støvkammer 31 sugetrakt 11 sukkerindustrien 46

suspensjoner 9, 23 svoveldioksyd 61 sykloner 32 synkehastighet 23

29

34

T temperaturforskjell, midlere 42 3-trinns inndamper 48 f turbinrører 10 tykner 23 tørking 37 tørking av luft ved adsorpsjon 65

V valsemølle 18 valsetørke 39 varmegjennomgangstall 42 varmeovergang 9 varmestrøm 42 varmeutveksling 42 Venturi gassvasker 33 vibrasjonssikt 19

67