Jak to vlastně funguje

Transkript

1 Jak to vlastně funguje

2

3 Představa vnitřního chování kapalin Úvod viskozita definice viskozity Fyzikální popis viskozity

4 Při průtoku kapaliny trubicí se nepohybují všechny její částice (molekuly) stejně. Částice, které jsou v blízkosti stěn se téměř nepohybují a částice vzdálenější od stěny se pohybují rychleji. Pro zjednodušení si tedy můžeme představit, že se kapalina skládá z tenkých souosých vrstviček. Všechny částice jedné vrstvy mají stejnou rychlost a dvě sousední vrstvy se oproti sobě pohybují různou rychlostí. Pomalejší vrstvy se snaží brzdit ty rychlejší, to se makroskopicky projevuje jako vnitřní tření v kapalině neboli viskozita.

5 Gradient rychlosti Tečné napětí Konstanta viskozity

6 Aby se kapalina v trubici pohybovala, musí na ni působit vnější síla, která překonává sílu vnitřního tření. Síla daná vnitřním třením mezi dvěma vrstvičkami o ploše A, které jsou od sebe vzdálené o dx a svými rychlostmi se liší o dv je určena vztahem. F=η A dv/dx Je tedy úměrná stykové ploše A a gradientu rychlosti dv/dx. Konstanta úměrnosti (koeficient viskozity) η je charakteristický pro každou kapalinu při dané teplotě.

7 Koeficient viskozity η je definovaný silou, kterou působí plošná jednotka vrstvy proudící kapaliny na sousední plošnou jednotku při jednotkovém rychlostním gradientu. Kapaliny o vysokém koeficientu viskozity tečou pozvolna. Kapaliny o nízkém koeficientu tečou lehce. Jednotka P= poise = kg m ¹ s ¹ Převrácená hodnota koeficientu viskozity se nazývá fluidita a je mírou tekutosti kapalin a je definována jako ϕ=1/η Voda při 20 C má viskozitu 0,01 P tedy = 1cP

8 Newtonův zákon viskozity stanovuje vztah mezi napětím a rychlostí deformace jako přímou úměru. τ=η dv/dx kde τ je tečné napětí v tekutině, v je rychlost toku, x je souřadnice ve směru kolmém na směr proudění a η je dynamická viskozita, která je pro danou teplotu konstantou. Podíl dynamické viskozity a hustoty kapaliny se označuje jako součinitel kinematické viskozity nebo kinematická viskozita (vazkost) ν=η/ρ

9 Nenewtonovské tekutiny se neřídí newtonový zákonem viskozity. Poměr tečného napětí a rychlostního gradientu není konstantní, ale závisí na hodnotě rychlostního gradientu. Bývá také označován jako nenewtonovská nebo zdánlivá viskozita. Podle průběhu závislosti rychlostního gradientu na tečném napětí můžeme rozdělit nenewtonovské kapaliny. Chování kapaliny zjistíme ze závislosti rychlosti deformace na napětí. Pseudoplastické a plastické viskozita s rostoucím gradientem rychlosti klesá (kečup, bláto, zubní pasta) Binghamské vykazují mez toku, tečou až od určitého napětí. (suspenze křídy, roztoky a taveni polymerů, odpadní kaly) Dilatantní viskozita s rostoucím gradientem rychlosti vzrůstá (suspenze kukuřičného škrobu)

10 Pokud se rychlost deformace s dobou působení stálého napětí zvětšuje, pak hovoří o tixotropní látce. Jestliže se s dobou působení napětí rychlost deformace zmenšuje, hovoří se o reopexní látce. tixotropie jev vyskytující se u některých koloidních látek, které při stálé teplotě fyzikálním zásahem hlavně mechanickým mícháním, třepáním apod. přecházejí z tuhého do kapalného stavu např. přeměna gelu v sol; princip se využívá u některých otiskovacích hmot. (Pseudoplastické) Opačným jevem je reopexe (rheopexe) mechanicky způsobený vzestup viskozity až tuhnutí některých tekutin protřepání, míchání. Tixotropní a reopexní kapaliny

11 Grafické závislosti pro jednotlivé tekutiny newtonské a nenewtonské, plastické systémy

12

13 HAGEN POISEUILL zákon Udává objem kapaliny o koeficientu viskozity η, který vyteče kapilárou o poloměru r a délce l pod tlakem p za dobu t. Změříme-li vyteklý objem V a známe hodnoty p,r,l, t můžeme z rovnice snadno vypočítat koeficient viskozity η uvažované kapaliny.

14 STOKESův zákon Se týká pohybu těles ve viskózním prostředí. Působí-li na hmotnou kouli ve viskózním prostředí konstantní síla F (např. váha koule, zmenšená o vztlak) začne se tato koule pohybovat a její rychlost bude vzrůstat. Se vzrůstající rychlostí bude také vzrůstat odpor viskózního prostředí. Při určité rychlosti se odpor prostředí vyrovná konstantní síle působící na kouli, od tohoto okamžiku se koule pohybuje konstantní rychlostí pro niž platí vztah.

15 Měření viskozity Rotační viskozimetr měření τ

16 Měření viskozity Rotační viskozimetr měření τ

17 Höpplerův viskozimetr Měření času průchodu kuličky z místa A do B.

18 Ostwaldův viskozimetr Měření průtoku kapaliny kapilárou, měření času.

19

20 Úspora energie při výrobě polyamidu za použití chlazení pelet pomocí dusíku

21

22 Produkce polyamidu pomocí hydrolytické polymerizace je velice dobře zvládnutý proces, v průmyslovém měřítku je využíván od 70 let devatenáctého století. Během let výroby polyamidu byl proces vylepšen pro dosažení vysoké kvality výsledného produktu a současně bylo dosaženo prosazení na trhu. V současné době je další optimalizace technologie výroby téměř nemožná a nové nápady na zlepšení jsou vyčerpány. Německo-Švýcarští korporace a její polymerní divize Thysen Krupp Uhde se intenzivně zaměřuje na vývoj a vylepšení výrobnosti technologie a procesu. Nárůst produkce a dosažení vyššího objemu výroby je hlavním cílem této skupiny. Současně je snaha o snížení energetické náročnosti samotného procesu. Tyto zmíněné faktory jsou do budoucna potenciálně nejvhodnější jak samotný proces zlepšit. Přizpůsobení jednotlivých částí procesu výroby je nejvhodnější a nejsnazší cesta jak dosáhnout zmíněných energetických nároků na výrobu polymeru.

23 Cena energie znamená zhruba 10% celkové ceny finálního produktu. Úspora ceny je podle Uhde Inventa-Fisher systematické podpoře a zlepšení nové technologie drying/solid state postcondensation (SSP). Tedy vysušení pevné fáze a následné kondenzaci označené SSP. Toto vede k významné úspoře energie a snížení množství vody v peletách polyamidu PA6 o 10% a u PA6.6 o 2%. Požadavky na pelety polyamidu a hmotnostní obsah zastoupení vody v těchto peletách je méně než 0,06wt%. Dosažení tohoto stupně vysušení pelet je pomocí horkého dusíku, který prostupuje skrz vysoušený materiál. Současně jsou pelety polyamidu vyhřívány pro dosažení lepšího uvolnění vody na těchto peletách. Vlivem těchto dvou tepelných procesů je navázaná a volná voda z granulátu uvolňuje. Celý proces je zobrazen na Obr.

24 Novou metodou je vyšší teplota granulátu a místo, kde je granulát umístěný (jeho poloha), současně vyšší viskozita finálního produktu (vysušeného PA). Zobrazeno na Obr. 2. Je potřeba čištění a nastavení přesné teploty rosného bodu použitého plynu. Ideálně se využívá plynové pračky. Zde je nejprve vlhký plyn ochlazen a poté následně jsou odstraněny částečky prachu a monomery polymeru vněm obsažené. Všechen kyslík, který je v systému, je obsažen odstraněn pomocí katalitické dehydrogenace (de-oxstep.) Dusík ve formě páry je dopravován do sušičky na dvou místech. Nejvýznamnější je dopravování dusíkové páry do střední části sušáku, kde dochází k předsušení PA granulí a také k odpaření vody navázané na povrchu (tzv. předsušení). Dále dochází k rekuperaci tepla a dodávání dusíku do horních částí sušáku a předehřátí PA (IV). Druhým vstupem je část v místech dna sušáku označená (III.). Teplota plynu je nastavena na teplotu rosného bodu a její funkcí je regulovat zbytkovou vlhkost. Vysušený granulát PA je následně chlazen ve speciálních vodou chlazených silech. Zde se jedná o více plášťové zařízení, kde PA je uvnitř sila a v jeho obalu prochází studená voda. Tato metoda je zejména pro vyhnutí se další oxidaci PA a znehodnocení materiálu. Celá tato technologie, která byla výše popsaná, je energeticky méně náročná v porovnání s klasickou metodou sušení. Přehled ušetřených prostředků je uveden v Tab. 1.

25 Popsaná technologie dusíkového chlazení granulí PA produkuje vysoko hustotní polyamid 6 a všechny jakosti polyamidu 6.6. Výhodou použitého zařízení je doba návratnosti investic, kdy se uvádí návratnost za 1,5 roku. Technologie nemá negativní vliv na výsledný produkt ani bezpečnost obsluhy. Uhde Inventa-Fisher uvádějí, že technologie byla úspěšně aplikována v provozech výroby PA a výsledkem je ekonomická výhodnost celého procesu a snížení ceny produktů. Hlavní místa, kde dochází k úspoře energie a tedy úspoře financí jsou označeny I, II, III, IV. Místo označené I. je rekuperace páry dusíku. Do rekuperačního zařízení vstupuje ochlazený plyn na teplotu rosného bodu, kdy byla odstraněna vlhkost a ohřívá se teplem z výstupního teplého plynu odcházejícího z vysoušecího zařízení. Druhé místo označené II. je chlazení pelet, zde již nedochází k chlazení studenou vodou, ale k využití chladného plynu z kondenzačního zařízení (plynové pračky). Další místo označené III. je pro přesnou regulaci teploty vstupního plynu chladiče granulí. Zde se jedná o odjímání tepla. Poslední IV. je místo po ohřátí plynu, který je vháněn do vyšších částí sušáku granulí pro jejich předsušení.

26