TOPLOTNE PUMPE

• PRIRODNO HLAĐENJE

• Prirodno hlađenje se odvija samo od sebe, jer pri temperaturi tijela T većoj od temperature okoline Tok, hlađeno tijelo nepovratno teži toplotnoj ravnoteži s okolinom.

• Ukupni prirast entropije je pozitivan, i proces se odvija sam od sebe, nepovratno.

• PROCESNO HLAĐENJE

• Kada treba osigurati hlađenje tijela koje je na temperaturi T0 nižoj od temperature okoline prirast entropije cjelokupnog sistema bio bi negativan, tj. toplina bi trebala prijeći od tijela niže na tijelo više temperature, što nije moguće.

• Da bi se omogućio prijenos topline s niže na višu temperaturu mora se dodatnim procesom, okolini pored topline Q0 dovesti i neka toplina ΔQ (4ecb) nastala pretvaranjem nekog drugog oblika energije i tako se dobije dodatni pozitivni prirast entropije prikazan na slici dužinom b-c. Ukupni prirast entropije treba biti veći ili barem jednak nuli.

• Minimalni iznos energije za kompenzaciju negativnog prirasta sumarne entropije iznosi odatle

• Da bi se proces mogao praktički provesti, trebati će dovoditi više energije od ΔQ, pa će sveukupna promjena entropije biti

• Kod kompresijskih rashladnih procesa mehanički rad je potrebna kompenzacijska energija, pa vrijedi

• Upravo zbog sposobnosti ljevokretnih rashladnih procesa da utroškom energije podižu toplinu s nižeg na viši temperaturni nivo, nazivaju se i toplone pumpe (dizalice topline).

• Po definiciji, toplotne pumpe su uređaji koji radni medij s nižeg temperaturnog nivoa, uz pomoć dodatne energije, povisuju na viši temperaturni nivo, te na taj način iskorištavaju toplinu sadržanu u radnom mediju.

• S obzirom na porijeklo i postojanost temperaturnog nivoa, toplotni izvori za toplotne pumpe mogu se podijeliti u skupine:

- prirodni, kod kojih je temperatura uglavnom promjenjiva – okolni zrak;

- prirodni s konstantnim temperaturama - površinske vode (vodotoci, mora), podzemne vode,tlo, Sunčeva energija;

- umjetni – otpadne vode te otpadni i istrošeni zrak iz prostorija ili industrijskih procesa.

• Toplotne pumpe nazivaju se prema redoslijedu izvora/nosioca toplote, tako da toplotne pumpe, s obzirom na izvor toplote, možemo također podijeliti u tri osnovne skupine:

- toplotne pumpe tlo-voda koje kao toplinski izvor koriste slojeve tla, a kao nosilac topline se koristi voda;

- toplotne pumpe voda-voda: kao toplinski izvor koriste podzemne, površinske ili otpadne vode, a nosilac toplote je voda;

- toplotne pumpe zrak-voda i zrak-zrak: kao toplinski izvor koriste okolni, istrošeni, otpadni ili onečišćeni zrak, a kao nosilac toplote se koristi u jednom slučaju voda, a u drugom zrak.

• U tehničkoj praksi toplotne pumpe se najčešće koriste za:- grijanje i hlađenje prostora- rekuperaciju toplotne energije.

• Gledano sa stanovišta investicije u toplotnu pumpu može se odmah zaključiti da se u našem klimatskom području uređaj veoma racionalno koristi jer se u zimskom periodu koristi za grijanje, a u ljetnjem periodu za hlađenje prostora.

• Toplotna energija iz toplih otpadnih voda može da se pomoću toplotne pumpe vrati i ponovo iskoristi za zagrijavanje prostora ili zagrijavanje vode.

Princip rada toplotne pumpe• Toplotna pumpa energiju za zagrijavanje proizvodi 75% iz

prirodne okoline uz pomoć 25% učešća el.energije. • U rashladnom krugu energija iz okoline se oduzima i predaje na

rashladni medij, tako da on isparava gdje biva usisan od strane kompresora i sabijen dobijajući tako višu temperateru.

• Vrela para struji u kondenzator tu se kondenzuje i pri tome oslobađa toplotu.

• Rashladni medij nastavljajući u takvom agregatnom stanju svoj put dalje iza ekspanzionog ventila prelazi u normalno stanje i cijeli proces se ponavlja.

• Električna energija pri tome nije izgubljena nego je prešla u vid potencijalne energije rashladnog medija. Tako npr. može se uz učešće el. energije od 1kW minimalno proizvesti 4kW energije za zagrijavanje.

Šematski prikaz rada toplotne pumpe

• Dakle osnovni dijelovi toplotne pumpe su:

- isparivač- kompresor- kondenzator- ekspanzioni ventil

• Svi ovi dijelovi se nalaze u zajedničkom kućištu kao jedna cjelina, te ih je potrebno samo spojiti na dovod radnog medija, razvod ogrjevnog medija, električnu mrežu te sistem automatske regulacije.

• IsparivačTekući radni medij na primarnoj strani nalazi se na nižem pritisku prilikom primanja topline iz okoliša. Temperatura okoline viša je od temperature isparavanja radnog medija pri pritisku na kojem se nalazi radni medij u isparivaču tako da radni medij potpuno isparava i pri tom uzima toplinu iz okoline.

- Rashladni učinak isparivača ovisi o ukupnoj površini za izmjenu topline, koeficijentu prolaza topline izmjenjivača i razlici temperature radnog medija koji isparava.

- U cilju što manje i kompaktnije dimenzije cijelog uređaja (dizalice topline), na izvedbu isparivača treba također postaviti zahtjev što manjih dimenzija.

• KompresorKompresor usisava radni medij iz isparivača, podiže mu temperaturu i pritisak na vrijednost na kojoj se omogućava njezina kondenzacija na temperaturi koja je viša od temperature ogrjevnog medija.

- Rashladni učinak kompresora mora biti jednak rashladnom učinku isparivača, te mora omogućiti komprimiranje cjelokupne radne tvari iz isparivača.

• Ovisno o načinu na koji se izvodi stlačivanje, postoji nekoliko osnovnih izvedbi kompresora:- klipni kompresori- vijčani kompresori- spiralni kompresori- turbokompresori

• KondenzatorNakon prolaska kroz kompresor, radni medij odlazi na sekundarnu stranu (sistem grijanja) u kondenzator koji je opstrujavan ogrjevnim medijem. Temperatura ogrjevne vode je niža od temperature kondenzacije radnog medija tako da radni medij kondenzira i ponovno se ukapljuje.

• Pri tom se toplina koju je radni medij primio na isparivaču i dodatno dovedena energija na kompresoru predaju ogrjevnom mediju.

• S obzirom na ogrjevni medij koji se koristi, postoje dvije izvedbe kondenzatora dizalice topline:- vodom hlađeni, kada se kao ogrjevni medij koristi voda (za sisteme toplovodnog grijanja i pripreme potrošne tople vode)- zrakom hlađeni, kada se kao ogrjevni medij koristi zrak (za sisteme toplozračnog grijanja, ventilacije i klimatizacije).

• Ekspanzioni ventilRadni medij se preko ekspanzionog ventila vraća u isparivač.

- U ekspanzijskom ventilu radni medij ekspandira s višeg pritiska kondenzatora na niži pritisak isparivača i ohlađuje se, te je time zatvoren ciklus.

IZVORI ENERGIJE ZA TOPLOTNE PUMPE

• Na toplotni izvor se postavlja niz zahtjeva da bi se osigurao ekonomičan rad dizalice topline. Među najvažnijima su sljedeći:

- toplotni izvor treba osigurati potrebnu količinu toplote u svako doba i na što višoj temperaturi,

- troškovi za priključenje toplotnog izvora na dizalicu topline trebaju biti što manji,

- potreba energije za transport toplote od izvora do isparivača dizalice toplote treba biti što manja.

• Kriteriji za ocjenu su sljedeći:- Nivo temperature- Raspoloživost na lokaciji i u vremenu- Vremenska podudarnost potrebe za toplinom i raspoloživosti

izvora- Mogućnost samostalnog korištenja- Utrošak energije za dovođenje topline do isparivača- Hemijska i fizikalna svojstva nosioca topline- Troškovi izvedbe postrojenja- Uticaj na ravnotežu okoline i zagađenje okoline- Pogodnost za masovnu proizvodnju

• ZRAK- Toplotne pumpe zrak - voda, ili zrak - zrak, kod kojih je izvor

topline zrak, a nosilac topline u krugu grijanja voda ili zrak, široko su rasprostranjeni uređaji, zbog jednostavnosti priključenja na sistem grijanja i zbog prisutnosti toplotnog izvora uvijek i na svakom mjestu.

- Optimalna količina zraka sa stanovišta utroška energije za rad kompresora i ventilatora kreće se u granicama od 300 do 500 m3/h zraka, za 1 kW toplote oduzete iz izvora.

- Ako se usvoji srednja vrijednost protoka zraka od 400 m3/h, njegovo ohlađenje treba iznositi 10 K da bi mu se oduzela toplota 1 kW.

• Za zaleđivanje isparivača je kritično područje temperatura zraka od od -2 do -7oC jer zrak pri tim temperaturama sadrži još uvijek znatnu količinu vlage.

• Kad se na isparivaču stvori led, treba prekinuti rad dizalice topline i trošiti energiju za odleđivanje.

• Ukupna potrošnja topline za odleđivanje kreće se oko 5% do 10% energije utrošene godišnje za pogon kompresora dizalice topline.

• Drugi problem o kojem treba voditi računa je i buka. Često to predstavlja ograničavajući faktor za primjenu.

• Ekonomičnu primjenu dizalica topline zrak - voda (ili zrak - zrak) najviše otežava različito vrijeme pojave maksimuma temperature zraka i potrebe neke grijane zgrade za toplinom.

• Kad je temperatura vanjskog zraka najniža, potreba topline je najviša, iako to ovisi i o vrsti potrošača, što je prikazano na slici.

• Određivanje veličine dizalice topline i potrošnje energije za proizvodnju potrebne topline, pitanje je načina pogona (monovalentni, bivalentno alternativni ili bivalentno paralelni), veličine i cijene dodatnog grijanja, te cijene energije.

• Zemlja• Korištenje topline iz tla predstavlja ustvari korištenje sunčeve

energije koja dospijeva na površinu i akumulira se u tlu. Za tehničko iskorištavanje zanemariva je toplina koja iz užarene zemljine jezgre prolazi prema površini. U praksi se toplinska energija unutrašnjosti zemlje koristi češće na mjestima tzv. geotermalnih anomalija (geotermalni izvori i sl.).

• Zbog velike akumulacione sposobnosti tla, temperatura u dubini ne mijenja se isto kao i temperatura na površini, već se javlja vremenski pomak koji raste s dubinom i smanjenje amplitude temperaturne promjene koje je to veće što je dubina veća.

• Dubina od oko 15 m je ona na kojoj se ne osjeti uticaj godišnjih oscilacija temperature. S povećanjem dubine temperatura zemlje raste, pa se danas izvode i vertikalne bušotine radi korištenja topline.

• Ipak, oduzimanje topline koja je posljedica sunčevog zračenja iz zemlje za dizalicu topline provodi se uglavnom preko cijevnih registara ukopanih u zemlju, kroz koje struji fluid koji prenosi toplinu.

• Na prvi pogled izgleda pogodnije ukopavanje cijevi preko kojih se toplina oduzima tlu na što veću dubinu, gdje su temperature jednolikije.

• Međutim, kako se tlu oduzeta toplina nadoknađuje od sunčevog zračenja u ljetnom razdoblju, zemlja se na većoj dubini ne bi stigla ponovno zagrijati, tako da bi se s vremenom formirao oko cijevi sloj trajnog leda.

• Prijelaz topline od tla na rashladno sredstvo odvija se uobičajeno u dva toplotna izmjenjivača - cijevnom snopu u zemlji i u isparivaču.

• Ako u ukopanim cijevima isparuje radni medij, smanjuje se ukupna temperaturna razlika između tla i radne tvari, jer se izbjegava posrednik pri prijenosu topline. Tada se prosječni toplinski množilac povećava za 10 do 15 % .

• Preporučuje se dubina ukopavanja cijevi toplinskog izmjenjivača u zemlji 0,8 do 1,5 m, s razmakom cijevi od 1 m do 0,5 m.

• Često se u zemlju dodatno sprema toplina iz krovnih solarnih kolektora, čime se podiže temperatura tla.

• Prosječni godišnji toplinski učin iznosi 20 - 40 W/m2 (iskop na dubinu 1,2 - 1,5 m). Što je zemlja bogatija vlagom to je specifično odavanje topline veće. Bolje je postaviti cijevi u glinastu zemlju nego u šljunčanu. Prosječna proračunska vrijednost uzima se 25 W/m2.

• Okvirni proračun:Zadano: 15 kW potrebna snaga za grijanje objektaPotrebna raspoloživa površina zemlje:A = P x (1 - e) / qgdje je:P - snaga za grijanje u kWe - udio el. snage za pogon kompresora toplinske pumpe (cca 25 %), e = 0,25q - specifično odavanje zemlje, q ≈ 0,025 kW/m2

A = 15 x (1 - 0,25) / 0,025 = 450 m2

• Pomoću zemljane sonde oduzima se energija iz zemlje iz većih dubina. Kod ovog sistema primarni je toplinski tok Zemljane kore, a ne direktno sunčevo zračenja kao kod zemljanih kolektora.

• Na ovaj način dobiva se približno konstantna temperatura izvora kroz cijelu godinu. Kod sistema sa sondama izvode se dubinska bušenja na dubine 60 - 100 m, a u bušotinu se kao i kod zemljanih kolektora polaže najčešće polietilenske cijevi. Promjer bušenja ovisi o sastavu tla i promjera cijevi, a najčešće se kreće u rasponu od 140 - 165 mm.

• Toplina koju zemlja predaje na sondu ovisna je o sastavu zemlje. Prosječni godišnji toplinski učin kreće se od 35 - 100 W/m. Kao okvirna proračunska veličina može se uzeti 50 W/m. Na osnovu ovog podatka može se izračunati ukupna dužina bušenja tj. broj bušotina.

• Okvirni proračun:Zadano: 15 kW potrebna snaga za grijanje objektaUkupno potrebna dubina bušenja:L = P x (1 - e) / qgdje je:P - snaga za grijanje u kWe - udio el. snage za pogon kompresora toplinske pumpe (cca 25 %), e = 0,25q - specifično odavanje zemlje, q ≈ 0,050 kW/mL = 15 x (1 - 0,25) / 0,050 = 225 mSlijede 3 bušotine od 75 m

• PODZEMNA VODA- voda se crpi iz bunara - produkcione bušotine, a kad je

ohlađena, može se odbaciti u kanalizaciju ili preko upojne bušotine natrag u podzemni vodotok.

- Upojna bušotina mora se nalaziti iza produkcione u smjeru toka podzemne vode.

• Na dubinama većim od 15 m, promjena temperature podzemne vode s vremenom je zanemariva.

• Usisni bunar ne bi trebao biti dubine veće od 20 m jer s većom dubinom rastu troškovi el. energije za pogon dubinske pumpe.

• Podzemna voda je uglavnom čista i nije agresivna.• Mogu se postići prosječni toplinski množioci pri

grijanju zgrada koji su reda veličine 3,5 do 4 ako se radi o sistemu niskotemperaturnog grijanja.

• POVRŠINSKA VODA• Prijenos topline od površinske vode na radnu tvar u

pravilu se provodi preko posrednog kruga za prijenos topline.

• U toplinskom izmjenjivaču površinska voda predaje toplinu vodi u posrednom krugu. Tek ova voda, ili pri nižim temperaturama smjesa glikola i vode, prenosi toplinu u isparivač.

• To se radi zbog prisutnosti onečišćenja, soli, i fosfata (koji pogoduju rastu algi) u površinskim vodama. U ovu svrhu potrebno je ugraditi pločaste izmjenjivače topline koji se lako čiste i predvidjeti druge mjere za sprečavanje rasta algi (npr generatori klora ako se radi o morskoj vodi).

• Ako se toplotna pumpa konstruiše za konkretno postrojenje i izvodi od komponenti na mjestu ugradnje, što je vrlo rijedak slučaj, može se isparivač izvesti kao cijevni registar uronjen u vodu.

• Ovim načinom mogla bi se smanjiti razlika temperature vode i temperature isparivanja i mogu se postići 10 do 15 % veći prosječni godišnji toplinski množioci nego u slučaju da se koristi posredni krug za prijenos topline.

• Što se temperature tiče, kod manjih rječica, može se u periodu grijanja računati sa temperaturom koja odgovara srednjim mjesečnim temperaturama vanjskog zraka uvećanim za 1,5 do 2 K.

• U tom slučaju, zbog niskih zimskih temperatura, dodatna su grijanja neizbježna, ali pokazuje se da se i do 90 % godišnje potrebe za toplinom može dobiti radom dizalice topline.

• Veće rijeke, koje protiču kroz industrijska središta imaju zbog raznih otpadnih toplina (kanalizacija, industrijski procesi) takve temperature da zimi uglavnom ne smrzavaju, pa su sa stanovišta temperature pogodan toplinski izvor.

• Temperature mora su izuzetno povoljne, posebno na dubinama ispod 10 m, ali treba voditi računa i o lokalnim uslovima - morske struje, izvori i sl.

• S morskom vodom može se uvijek izvesti monovalentni sistem grijanja i hlađenja.

• Okvirni proračun:Zadano: 15 kW potrebna snaga za grijanje objektaPotreban stalni protok vode:

• V = P x (1 - e) x Qgdje je:P - snaga za grijanje u kWe - udio el. snage za pogon kompresora toplinske pumpe (cca 25 %), e = 0,25Q - jedinični protok dubinske crpke, Q ≈ 300 lit/h po kWV = 15 x (1 - 0,25) x 300 = 3375 lit/h

• SUNČEVA ENERGIJA• Iako su naprijed spomenuti izvori svi na neki način

transformirana ili akumulirana sunčeva energija, ovdje se misli na neposredno korištenje putem solarnih kolektora ili apsorbera.

• Moguće je korištenje u neposrednom sistemu tako da je isparivač dizalice topline solarni kolektor (povećava se temperatura isparivanja), ili pak posredno s nizom kombinacija u načinu manipulacije energijom.

• Uglavnom se koriste solarni apsorberi (neizolirani kolektori), ili neke varijante ventiliranih krovova ili fasada.

• Monovalentni sistemi s apsorberom kao isparivačem dizalice topline

• Prednosti korištenja toplotnih pumpi:

- ekonomičnostsmanjeni troškovi grijanja i hlađenja u stambenim i poslovnim objektima

- trajnost

- niski troškovi održavanjaako je sistem ugrađen na propisan način ne zahtijeva gotovo nikakvo održavanje

- tihi radpogodna upotreba u domaćinstvu i u poslovnim prostorima s obzirom da kod ovakvih sistema nema dijelova koji proizvode buku

- fleksibilnostovakvi sistemi mogu snabdijevati toplinskom energijom razne potrošače

- prilagodbakoriste se i u toplim i u hladnim razdobljima. Zimi za grijanje, a ljeti za hlađenje

- ekologija dizalice topline gotovo ne zagađuju okolinu, te su važan faktor u smanjenju onečišćenja atmosfere

Nedostaci toplotnih pumpi:- investicijski troškovi veći su nego kod ostalih sistema

Sušenje i sušare

Osnove teorije procesa sušenja

• Sušenje je toplotni separacijski proces uklanjanja vlage iz vlažnog materijala u svrhu dobivanja suhog proizvoda.

• Prije sušenja potrebno je mehanički ukloniti što je više moguće vlage

– filtracijom (gravitacijska, vakuum, tlačna)– taloženjem– centrifugiranjem• Tokom sušenja odvijaju se sljedeći procesi:

Prenos tvari

Prenos toplineHemijski procesi

Fizikalni procesi Prenos količine kretanja

• Kao što vidimo sušenje se odvija uz istovremeni prenos topline i mase.

• Toplina se dovodi materijalu ili se generiše u njemu da bi se isparila vlaga, dok se masa prenosi kroz materijal kao para agensima za sušenje.

• Prema načinu dovođenja topline materijalu koji se suši razlikuju se sljedeće metode sušenja:

- Konvektivno sušenje, gdje struja plinovitog agensa dodiruje materijal koji se suši;

- Konduktivno sušenje, gdje zagrijana površina dodiruje materijal koji se suši;

- Radijacijsko sušenje, sušenje se obavlja zagrijavanjem materijala toplinom generisanom u samom materijalu posredstvom polja struje visoke frekvencije;

- Mikrovalno sušenje, toplina se generiše unutar materijala zbog interakcije elektromagnetskih valova i vode;

- Sublimaciono sušenje je sušenje u zamrznutom stanju pod visokim vakuumom (analogno konduktivnom sušenju po načinu prenosa toplote).

• Konvektivno sušenje

• Toplina se dovodi pomoću zagrijanog zraka koji struji iznad površine vlažnog materijala .

• Toplina potrebna za isparavanje konvekcijski se prenosi na izloženu površinu materijala, a isparena vlaga se odvodi pomoću sušnog medija.

• Konduktivno sušenje

• Toplina potrebna za isparavanje dovodi se preko grijanih površina koje mogu biti nepokretne ili pokretne, postavljenih u sušionik.

• Isparena vlaga odvodi se pomoću inertnog plina koji služi isključivo kao sredstvo za odvođenje isparene vlage

• Radijacijsko sušenje

• Dio energije koju emitira izvor zračenja apsorbira se na površini materijala i na taj način zagrijava vlažni materijal i dolazi do isparavanja vlage.

• Isparena vlaga odvodi se pomoću inertnog plina.

• Mikrovalno sušenje

• Toplina se generiše unutar materijala zbog interakcije elektromagnetskih valova i vode.

• Jednoliko zagrijavanje cijele zapremine materijala.

• Sublimaciono sušenje - sušenje zaleđivanjem (liofilizacija)

• Vlaga u materijalu se prvo zaledi, hlađenjem materijala, a zatim sublimira kondukcijskim, konvekcijskim ili radijacijskim zagrijavanjem.

• kontrolirano zagrijavanje da se izbjegne taljenje vlage ili razgradnja materijala;

• biološki i farmaceutski materijali, prehrambeni proizvodi,

• Zašto je sušenje važno?

• Sušenje kao jedna od najčešće primjenjivanih operacija procesne tehnike primjenjuje se u cilju:

- smanjenja ukupne mase materijala radi smanjenja troškova transporta, boljeg iskorištenja skladišnog prostora i sl.;

- povećanja jačine materijala, kao što je slučaj sa keramičkim proizvodima i drvetom;

- povećanja toplinske moći materijala (goriva);- konzerviranja proizvoda prehrambene industrije;- smanjenja štetnog uticaja vlage za materijal.

• Osnovni pokazatelj za proračun i projektovanje industrijskih sušara su podaci o:

- kinetici sušenja određenog materijala u određenom tipu sušare,

- površini i brzini prenosa topline i mase,- režimu sušenja (temperatura, vlažnost, brzina i

hidrodinamički uslovi strujanja agensa za sušenje, raspored materijala koji se suši i način miješanja materijala u sušnom prostoru),

- uticaj režima sušenja na osobine i kvalitet osušenog proizvoda (temperatura i vrijeme boravka materijala u sušnom prostoru).

• Ovi podaci omogućuju izbor najpovoljnijeg tipa sušare za neki materijal, određivanje vremena trajanja sušenja, definisanje kapaciteta sušare i utroška toplinske i mehaničke energije kao i ocjenu ekonomičnosti rada.

• Vlažni materijaliČvrsti materijali sa stanovišta vlažnosti klasificiraju se u dvije osnovne grupe:

- kristalni materijali- koloidno disperzni sistemi• Grupu kristalnih materijala sačinjavaju uglavnom neorganske

supstance. • Koloidno disperzne sisteme čine materijali organskog

porijekla kod kojih vlaga predstavlja sastavni dio strukture čvrstog materijala.

• Vlažni materijali se sastoje od tri faze: čvrste, tekuće i plinovite.

• Masa plinovite faze u poređenju sa masom tekuće i čvrste faze je zanemariva pa se uzima da je masa vlažnog tijela G sastavljena iz mase apsolutno suhog materijala Gsm i mase vlage Gv .

• Stanje vlažnog materijala određeno je temperaturom i vlažnošću. • Pod vlagom se podrazumjeva svaka tekućina koja se u procesu

sušenja treba potpuno ili djelimično odstraniti. • Na osnovu veze vlage i materijala izvršena je klasifikacija ove veze:

- hemijska (jonska i molekularna)- fizičko-hemijska- fizičko-mehanička

• Vlaga u materijalu može biti kao vezana vlaga, nevezana vlaga i slobodna vlaga.

• Vezana vlaga je kapljevina fizikalno ili hemijski vezana za krutinu sa pritiskom para nižim od pritiska para čiste kapljevine kod iste temperature.

• Nevezana vlaga je količina vlage u krutini čiji je pritisak para jednak pritisku para čiste kapljevina pri istoj temperaturi.

• Slobodna vlaga je vlaga koja se može ukloniti agensom za sušenje date temperature i vlažnosti i može obuhvatiti vezanu i nevezanu vlagu.

• Statika procesa sušenja• Statika procesa sušenja izučava uzajamno djelovanje vlažnih

materijala sa zrakom (okolinom), zbog koga nastupa stanje ravnoteže, u stvari prestaje spoljna razmjena vlage.

• Vlažnost materijala koja odgovara stanju ravnoteže naziva se ravnotežnom vlažnošću.

• Ravnotežno stanje materijala može biti postignuto putem upijanja vodene pare iz okoline (sorpcija) ili putem isparavanja vlage iz materijala (desorpcija).

• Upijanje vlage iz zraka (vlaženje materijala) nastupa kada je parcijalni pritisak pare na površini materijala manji od parcijalnog pritiska pare u okolnom zraku.

• Isparavanje vlage iz materijala nastupa kada je parcijalni pritisak pare na površini materijala veći od parcijalnog pritiska zraka.

• Pri vlažnosti zraka 1, ravnotežna vlažnost materijala je d1.

• Ako se vlažnost zraka poveća do vrijednosti 2, vlažnost materijala raste na račun sorpcije vlage iz zraka i ravnoteža se uspostavlja pri novoj ravnotežnoj vlažnosti d2.

• Materija može da upija vlagu sorpcijom iz okolnog zraka samo do hidroskopne vlažnosti dh, pod kojom se podrazumjeva ravnoteža vlažnosti materijala pri potpunom zasićenju zraka.

• Dalje vlaženje materijala moguće je samo neposrednim kontaktom sa tekućinom.

• Na ravnotežnu vlažnost utiče i temperatura zraka i ukoliko temperatura raste ravnotežna vlažnost materijala se smanjuje.

Kinetika procesa sušenja• Kinetika sušenja opisuje promjenu sadržaja vlage i temperature materijala

tokom sušenja.• Tok sušenja definisan je vrstom i svojstvima materijala, vrsti prisutne

vlage (slobodna, vezana), odabranim načinom i uslovima sušenja

Grafički prikaz ovisnosti sadržaja vlage i temperature materijala o vremenu

• Krive brzine sušenja

Grafički prikaz ovisnosti brzine sušenja o sadržaju vlage i vremenu

• Na prethodno prikazanim grafovima može se uočiti nekoliko perioda zagrijavanja vlažnog materijala (A-B, B-C, C-D i D-E):

- Period stabilizacije (A-B)- Period konstantne brzine sušenja (B-C)- Periodi padajuće brzine sušenja (C-D, D-E)

Stanje materijala tokom pojedinih perioda sušenja

• Početak zagrijavanja vlažnog materijala karakterizira prvi period (A-B), tj. period stabilizacije.

• U tom periodu ishlapljuje vrlo mala količina vlage prisutna na površini materijala.

• Zatim slijedi period konstantne brzine sušenja kojeg karakterizira linearno smanjivanje sadržaja vlage materijala.

• Taj period traje dokle god je brzina kojom se vlaga dovodi na površinu iz unutrašnjosti materijala do površine materijala dovoljno velika da je cijela površina materijala prekrivene vlagom.

• Tačka C odgovara kritičnom sadržaju vlage nakon čega slijedi period padajuće brzine sušenja.

Vrijeme trajanja konstantne brzine sušenja je:

r

r

s dd

dd

AK

Gt

2

121

gdje je:

hmkgK s2/ - koeficijent sušenja

2mA - površina sušenja

kgG2- masa vode

kggd /1

kggd /2

kggdr /

- početna vlažnost

-promatrana vlažnost za određeno vrijeme

- ravnotežna vlažnost

r

rkr

s dd

dd

AK

Gt

2

22 ln

kggd kr / - prva kritična vlažnost

Ukupno vrijeme sušenja je:

21 ttt

Vrijeme trajanja drugog perioda sušenja (period opadajuće brzine sušenja)

• Uticaj vanjskih uvjeta na kinetiku sušenja- oblik čestica- debljina materijala- temperatura zraka- relativna vlažnost zraka- smjer strujanja zraka- brzina strujanja- način dovođenja topline

Klasifikacija sušara Klasifikacija sušara zasnovana je na metodu prenosa topline

na vlažan materijal, fizičkim osobinama materijala i načinom manipuliranja materijalom u sušari.

Klasifikacija po metodu prenosa topline na vlažan materijal zasniva se na konstruktivnim razlikama sušara i razlikama u načinu rada tih sušara.

Klasifikacija po fizičkim osobinama materijala i po načinu manipuliranja materijalom u sušari postavljena je tako da omogućava izbor tipova sušare pri preliminarnom sagledavanju sušenja određenog materijala.

Pored navedenog načina klasifikacije sušara moguća je klasifikacija prema tabeli 1.

Karakteristika sušare Tip sušare

Režim rada Diskontinuirane i kontinuirane

Način dovođenja topline materijalu

Konvektivne, konduktivne, radijacione, ultrazvučne

Vrsta agensa za sušenje Zračne, sa primjenom pregrijane pare, sa primjenom proizvoda izgaranja

Pritisak u komori za sušenje

Atmosferske, vakumske

Varijanta procesa sušenja Sa osnovnom varijantom procesa, sa zagrijavanjem komore za sušenje, sa međuzagrijavanjem, sa recirkulacijom dijela upotrijebljenog agensa

Način cirkulacije agensa za sušenje

Sa prirodnom i vještačkom cirkulacijom

Konstrukcija sušare Komorna, tunelska, rotaciona, vibraciona, pneumatska sa raspršivanjem

Pravac kretanja agensa za sušenje u odnosu na materijal

Sa istosmjernim, sa protivsmjernim, unakrsnim i povratnim tokom

Vrsta materijala koji se suši

Komadni materijal, zrnast, sipkav, trakast,paste, tekući rastvori

Tabela 1

U tabeli 2 prikazana je prikladnost pojedinih tipova sušara ovisno o materijalu koji se suši. Tip sušare Vrsta materijala koji se može sušiti

Komorna Čvrst u sitnim komadima

Tunelska s vagonetima Čvrst u sitnim komadima

Tunelska s trakama Čvrst,kašast,tekući

Sa fluidiziranim slojem Čvrst u sitnim komadima

Sa raspršivačem Tekući

Sa valjcima otvorena Tekući ili kašast

Sa valjcima vakuumska Tekući ili kašast

Vakuumska s policama Čvrst

Vakuumska s trakom Čvrst ili kašast

Rotaciona Čvrst u sitnim komadima

Tabela 2

Osnovni zahtjevi pri projektovanju sušara su intenzitet sušenja i očuvanje kvaliteta materijala koji se suši.

Uslovi koje treba ispuniti sa stanovišta projektovanja su:• kontinuitet procesa sušenja• mogućnost povezivanja procesa sušenja sa drugim

tehnološkim procesima• optimiziranje parametara tehnoloških režima i agenasa

sušenja• primjena kombinovanih načina sušenja, ovisno o materijalu

koji se suši• odgovarajući nivo mehanizacije i automatizacije procesa

Izbor tipa sušare vrši se sledećim redoslijedom:• preliminarni izbor grupe sušara, s obzirom na način

manipulacije vlažnim materijalom i proizvodom• određivanje radnih uslova i ekonomičnosti svake od sušara

odabrane grupe (preliminarno određivanje)• odabir jedne ili nekoliko sušara sa stanovišta radnih uslova i

ekonomičnosti• probna sušenja materijala u odabranom tipu sušare• analiza podataka dobijenih putem eksperimenata• konačan izbor sušare• procjena kapaciteta i osnovnih karakteristika odabrane sušare

U preliminarnom izboru sušara neophodno je razmotriti:

a) osobine materijala koji treba sušiti.• fizičke osobine materijala koji treba sušiti• fizičke osobine suhog materijala• korozivnost• toksičnost• zapaljivost• veličina čestica• abrazivnost

b) Ponašanje materijala pri sušenju:• veza vlage i materijala• početni sadržaj vlage• krajnji sadržaj vlage• dozvoljena temperatura sušenja• očekivano vrijeme sušenja

c) Manipuliranje materijalom na ulazu i izlazu:• kapacitet sušenja• kontinuirana ili diskontinuirana sušenja• operacije koje prethode sušenju• operacije koje dolaze nakon sušenja

d) Kvalitet proizvoda:

• kontrakcija proizvoda• mogućnost zagađenja• uniformnost sadržaja vlage nakon sušenja• mogućnost presušivanja proizvoda• temperatura proizvoda

e) Uslovi na mjestu predviđenom za sušaru:• raspoloživ prostor• temperatura, vlažnost i čistoća zraka• raspoloživa goriva• raspoloživa el. energije• dozvoljena buka, vibracije, prašina i toplinski gubici• problemi izlaznih plinova

Pri svim ovim razmatranjima jedan od osnovnih faktora za izbor tipa sušare je fizička priroda materijala koji se suši.

Zajedničke karakteristike sušara

- Da imaju odgovarajući prostor za smještaj materije koja se suši;

- Da raspolažu aparatima za zagrijavanje;- Da je obezbjeđeno kontinualno dovođenje

toplote i odvođenje vlage koja se oslobađa u toku sušenja.

Osnovni tipovi sušara U industrijskoj praksi se upotrebljava mnogo različitih tipova

sušara i oni se prema načinu dovođenja topline dijele na sušare sa direktnim ili indirektnim grijanjem.

Dalje se dijele na one koje upotrebljavaju topli zrak, neki drugi plin ili vodenu paru.

Prema uzajamnom toku vlažnog materijala i sredstva za sušenje na istosmjerne i protivsmjerne.

Prema radnom pritisku one koje rade sa sniženim, atmosferskim ili povišenim pritiskom, a prema načinu rada sušare dijele se na šaržne i kontinuirane.

Konvektivne sušare Kod ovih sušara kao nosilac topline za grijanje materijala

upotrebljava se topli zrak ili neki drugi topli plin. Zrak ujedno odnosi i paru izašlu iz materijala.

U ovaj tip sušara ubrajamo: komorne, tunelske, trakaste, konvejerske, petljaste, šahtne, dobošaste, pneumatske, turbinske i druge.

Princip sušenja:

Zagrijan zrak ili drugi plinovi

V l a g a

Materija koja se suši

T o p l o t a

Komorne sušare Mogu biti zidane ili izgrađene od metalnih ploča u kojima je

tvar koja se suši poredana u sanduke. Sanduci su postavljene na kolica. Sušenje se obavlja zrakom kojega u sušaru usisava jedan, a iz

sušare odsisava drugi ventilator. Zrak se prethodno grije u kaloriferu, a zatim se ventilatorom

usisava između donje trećine sanduka. Nedostatak ovih sušara je u tome: • što sušenje traje relativno dugo (jer tvar miruje za vrijeme

sušenja)• imaju mali učinak• tvar se nejednoliko suši• ovisno o tvari, sušenje traje oko 4 ili više sati

Komorna sušara

Tunelske sušare Za razliku od komorne ova sušara je znatno duža. Pravougaonog je presjeka, isto može biti izrađena od metala

ili zidana. Tvar je poredana na sanduke, koja se kreću kroz sušaru po

pomičnim šinama i tako tvar ulazi i izlazi iz sušare. Zrak se prije uvođenja u sušaru grije, prolazi kroz sanduke,

ponovo dogrijava u slijedećem kaloriferu i tako sve do kraja. Dio zraka se ispušta u okolinu, a dio se vraća i dodaje svježem

zraku na ulazu zakretanjem preklopki. Nedostaci slični komornoj, jedino je veći učinak.

Trakaste sušare Napravljena je od metalnih ploča zavarenih na posebnu

konstrukciju. Unutar komore se nalaze više traka za kretanje tvari. S gornje trake, tvar pada na slijedeću donju traku i tako do

izlaska iz sušare. Zrak se grije kaloriferom i tlači ventilatorom. I ovdje se dio zraka na izlazu iz sušare vraća i dodaje svježem

zraku na ulazu. Nedostaci su isti kao i kod prethodnih sušara, jedino se tvar

ravnomjernije suši, jer se prilikom prebacivanja sa trake na traku tvar okreće.

1 – Komora; 2 – Transportne trake; 3 – Pogonski bubanj;4 – Pomoćni bubanj; 5 – Kalorifer; 6 – Otvor za uvođenje vlažne materije;7 – Obrtni valjci za podupiranje trake.

Sušare sa rotirajućim valjkom Glavni dio je rotirajući valjak, koji transportuje tvar

koja se suši. Valjak ima pregrade za rashlađivanje tvari. Tvar se uvodi kroz usipni lijevak. Zrak se kao i prije suši i propuhuje ventilatorom kroz

sušaru. Najčešće se koristi u sušenju žitarica i sjemenki iz

kojih se ekstrahira ulje.

Pneumatske sušare

Koriste za sušenje zrnastih tvari. Princip se sastoji u pneumatskom transportu tvari strujom toplog

zraka u vertikalnoj cijevi visine 20 m (ovisno o % vode koju treba oduzeti)

Brzina strujanja zraka treba biti veća od brzine lebdenja i iznosi 10 do 30 m/s.

Uklanja se uglavnom slobodna vlaga. Dimenzije čestica su od 8 do 10 mm. Tvar se u pneumatsku cijev ubacuje preko usipnog ljevka preko

dozatora. Zrak se opet grije preko kalorifera i tlači putem ventilatora. Struja toplog zraka odnosi tvar kroz pneumatsku cijev do ciklona. U ciklonu se izdvaja osušena tvar od zraka.

1. Bunker za mokri materijal2. Nosiva konstrukcija3. Toranj sušare4. Ventilator5. Generator vrućeg zraka6. Sušarski cjevovod7. Ciklon8. Regulacija i upravljanje (komandna ploča)

Sušare sa raspršivanjem materijala U ovoj se sušari tekuća tvar (mlijeko, deterdženti,

dječija hrana i sl.) suši u struji toplog zraka u obliku sitnih kapljica

Budući da su kapljice veoma sitne, površina kontakta je veoma velika pa se sušenje obavi za 15 do 30 sek., i bez obzira kojom se temperaturom zraka suši, temp. tvari ne prelazi granicu hlađenja. Na taj način se dobije veoma topiv praškasti proizvod (instant).

Tvar se u komori raspršava pomoću sapnica. Rotirajući su diskovi pogodni za raspršivanje

suspenzija i viskoznih tekućina.

Međutim, utrošak energije za ovakvo rotirajuće raspršivanje je veće nego kod mehaničkih sapnica (mogućnost začepljenja).

Kod pneumatskih sapnica je opet nedostatak veliki utrošak energije i nejednolikost raspršivanja.

U komori se zrak i tvar mogu kretati istosmjerno i protusmjerno.

Protusmjerno sušenje se koristi kod sušenja tvari veće gustoće.

Nedostaci ovih sušara: mali učinak, zauzimaju mnogo mjesta, sušenje je vrlo skupo.

1 – komora; 2 – raspršivač; 3 – pužasti transporter;4 – ciklon; 5 – filter; 6 – ventilator; 7 – kalorifer.

1. Komora za sušenje, 2. Ventilator, 3. Elektromotor, 4. Disk za raspršivanje, 5. Strugači, 6. Spiralni transporter za pražnjenje, 7. Filter, 8. Pogon strugača i transportera, 9. Mehanizam za otresanje filtera

• Vakuumske sušare

• Vakuum sušenje ili sušenje pod sniženim pritiskom je pogodna metoda za sušenje materijala osjetljivih na visoke temperature ili materijale sklone oksidaciji, te u slučajevima kada je materijal jako skup i ima ga u malim količinama pa nije poželjan njegov gubitak (npr.u farmaceutskoj industriji).

• Smanjenjem pritiska smanjuje se vrelište vlage u krutini, a time se smanjuje brzina štetnih procesa kao što je hemijska razgradnja u prisutnosti većeg sadržaja kisika. Kod vakuum sušenja, sniženjem pritiska, smanjuje se vreliše vode znatno ispod 100 ºC.

• U vakuumskim sušarama vakuum se može postići upotrebom mehaničkog kompresora, vakuum pumpe, strujom vode ili pare.

• Važno je da se vodena para ili druge isparljive komponente u materijalu kondenziraju da bi se mogao održavati stalni vakuum unutar komore.

• Toplina se vlažnom materijalu dovodi kroz ogrijevnu površinu koja može biti mirujuća ili pokretna. Isparena vlaga odvodi se iz sušare pomoću inertnog plina (zrak) koji služi kao nosioc vlage.

• Takve sušare obično se sastoje od zatvorene, najčešće čelične komore, a mogu sadržavati i posebno postavljene police unutar sušare za što više nosača uzoraka.

• Nedostatak im je što nisu pogodni za sušenje pri jako niskim temperaturama, te se ne preporuča sušenje ispod 40oC . Nisu prikladni ni za sušenje toksičnih materijala zbog opasnosti koje bi se mogle javiti pri punjenju i pražnjenju uređaja.

Imaju prednost rada na niskim temperaturama

Sastoji se od komore za sušenje sa površinama za zagrijavanje, kondenzatora i vakuum pumpe

Prednosti vakuumskog sušenja

-Niža radna temperatura-Manje vrijeme sušenja-Manji energetski zahtjevi-Povrat ulaganja u kratkom roku

Primjena vakuumskog sušenja

-Sušenje drva-Sušenje bruseva-Sušenje drugih materijala

• Kontaktne sušare• Ovdje se sušenje vrši u struji zrak• Tvar se direktno grije u kontaktu sa ogrijevnom

stijenkom pri čemu dolazi do ishlapljivanja vode.

Materija koja se suši

Vazduh

Z a g r e j a n a p o d l o g a

V l a g a

• KOMORNE VAKUUM SUŠARE• Komora je ovakve sušare cilindričnog oblika.• Tvar koja se suši stavlja se u plitke tave, a one su

postavljene na grijalice u obliku pravougaonih komorica.

• U grijalice se uvodi para ili topla voda.• Za vrijeme sušenja je komora spojena na uređaj za

stvaranje vakuuma (vakuum pumpa) preko cijevnog priključka.

1 –Komora;2 –Podloge sa duplim zidom;K – Kondenzat.

• Sušenje na valjcima

Zagrijan valjak

Suspenzija koja se suši

Vazduh

Odvođenje pare i vazduha

Specijalne sušare i specijalne metode sušenja

U ovu grupu sušenja spadaju radijacijsko, dielektrično i sublimacijsko sušenje

Termoradijacijske sušare toplinu potrebnu za sušenje predaju materijalu infracrvenim zracima, koji prolaze u unutrašnjost poroznih tijela i koji se potpuno u materijalu apsorbiraju. Ovaj način sušenja ima znatno veći intenzitet isparavanja vlage. Ovaj tip sušenja pogodan je samo za sušenje u tankom sloju.

Dielektrične sušare su podesne za sušenje materijala u debelom sloju. Ova sušara sastoji se od generatora struje visoke frekvencije i komore za sušenje. Brzina sušenja u polju struje visoke frekvencije znatno je veća od brzine konvektivnog sušenja.

• Prednosti • Kraće vrijeme sušenja • Ravnomjerno sušenje• Potrebno manje energije• Lakše upravljanje

• Sublimacijska sušara koristi se za sušenje materijala u zamrznutom stanju pri kojem vlaga koja se nalazi u materijalu u obliku leda direktno prelazi u paru, a izvodi se pri dubokom vakuumu i niskim temperaturama(do -15 C). Osnovna prednost ovog načina sušenja je dobivanje visokokvalitetnih proizvoda prehrambene i farmaceutske industrije. Izrada ovih sušara dosta je skupa, a sam proces sušenja ima niže troškove nego kod atmosferskih sušara.

Kolone• Veći dio jediničnih procesa u sklopu procesne

aparature ima ugrađene posude različite veličine i vrste nazvanih, po njihovoj posebnoj ulozi u procesu, kolonama.

• Radi upoznavanja uloge i konstrukcije kolona potrebno je izučavanje sljedećih procesa: – apsorpcija,– destilacija i– rektifikacija.

• Apsorpcija - separacijski proces uklanjanja jedne ili više komponenti iz plinske smjese otapanjem u pogodnom otapalu.

• Ova tehnika široko se primijenjuje za selektivno uklanjanje plinskog kontaminata ili nekog produkta iz plinske smjese.

• Sastojak se može uklanjati zbog njegove ekonomske vrijednosti ili kao stepen u pripremi nekog spoja kao i zbog problema zagađenja zraka.

• Primjeri:- uklanjanje/obnavljanje NH3 (proizvodnja gnojiva),

- kontrola SO2 iz izvora izgaranja,- obnavljanje otapala topljivih u vodi,- kontrola plinova neugodnih mirisa...

Kolone za apsorpciju plinova

• Apsorpcija plinova obavlja se pomoću aparata konstruisanih tako da se u njima između plinovite i tekuće faze stvara što veća razdjelna površina radi što bržeg prijelaza mase.

• Stvaranje velike razdjelne površine moguće je ostvariti disperzijom jedne faze u drugoj. Ovisno o tome koja je od faza dispergirana u drugoj razlikuju se:– aparati sa plinovitom dispergiranom fazom, od kojih su

kolone s podovima (tavanima) najvažnije,– aparati sa unutrašnjom odnosno tekućom dispergiranom

fazom, od kojih su kolone punjene prokapnim tijelima najvažnije.

Aparati s plinovitom unutarnjom fazom (kaskadne kolone)

• U praksi se za apsorpciju upotrebljavaju, u nekim slučajevima jednostavne posude u koje se plin u tekućinu uvodi cijevima sa raspršivanjem.

Apsorpcijski aparati s plinovitom unutarnjom fazom: (1) ulaz plina, (2) izlaz plina, (3) ulaz tečnosti, (4) izlaz tečnosti

• Ako se tako plin provodi kroz nekoliko posuda za apsorpciju, a tečnost se isto tako provodi kroz te posude, tada se radi o bateriji za apsorpciju plina u protivstruji.

• Kaskadna kolona (kolona sa tavanima ili podovima) je u stvari protustrujna baterija posuda, smještenih jedna iznad druge, a takav aparat je jeftiniji i djelotvorniji od baterije odvojenih posuda.

• Kolona je visoka cilindrična posuda podijeljena horizontalnim pregradama, «tavanima» konstruisanim tako da je osiguran što bolji kontakt između tečnosti i plina.

• Veće brzine strujanja plina povećavaju kontakt stvaranjem mjehurića i povisuju koeficijent prelaza mase ali izazivaju prenošenje kapljica na viši tavan, što zahtjeva veći razmak između tavana, čime se poskupljuje konstrukcija.

• Normalan rad kolone prestaje kada tekućina ispuni tavan u toj mjeri da se može reći da je kolona potopljena.

Aparati sa tekućom unutarnjom fazom, punjene kolone

• U aparatima sa tekućom unutarnjom fazom tekućina se dispergira u plitke tanjure, odnosno u sitne kapljice, a plin u neprekinutoj struji prelazi preko ili kroz tu tekućinu.

• Na slici su prikazani sistemi i konstrukcije rasprašivanja kod apsorpcijskih aparata sa tekućom unutrašnjom fazom.

Apsorcijski aparati s tekućom unutarnjom fazom:(a) Tylerovi turili, (b) kolona sa slapovima tekućine, (c) kolona sa sapnicama za raspršivanje tekućine, (d) Ströderov praonik raspršivanje tekućine centrifugalnom silom: (1) ulaz plina, (2) izlaz plina, (3) ulaz tekućine, (4) izlaz tekućine

• Na prethodnoj slici pod a) prikazani su turili (posude velike površine hlađenja u odnosu na površinu apsorcije).

• Na slici b) prikazan je aparat kod koga tekućina u slapovima pada sa jedne na drugu horizontalnu pregradu i raspršava se, a plin struji kroz te slapove.

• Na slici c) i d) koriste se aparati kada je količina tekućine mala u odnosu na količinu plina.

• U tehnici apsorpcije i drugih operacija prenosa mase, najviše se upotrebljavaju takozvane punjene kolone prikazane na sljedećoj slici:

• Kolone su punjene prokapnim tijelima različitih oblika i uglavnom od keramičkih materijala:

Tijela za punjenje kolonea) Bez reda ubacivanja: (1) Raschigov prstenac, (2) Borlovo sedlo, (3) Tallerette od plastične mase, (4) prstenac sa šiljcima za kapanje.b) Pravilno naslagana: (5) Raschigovi prstenci, (6) drvene letve, (7) rešetkaste opeke sa šiljcima za kapanje, (8) “Hexahelih”

Kolone za destilaciju nafte

• Sam princip destilacije nafte dosta je jednostavan i sastoji se u tome da se ključanjem isparavaju lakše komponente koje se odvojeno ukapljuju.

• U novije vrijeme tako jednostavna prerada nafte nije dovoljna već se primjenjuje rektifikacija (frakcija u više stepeni), za koju služe cilindrične kolone prikazane na slici.

• Atmosferska destilacija nafte danas se, za razliku ranijih postupaka koji su se izvodili u kotlovskim baterijama, izvodi postrojenjima sa cijevnom destilacijom prikazanom na slici 4. 30.

• U kotlovskim baterijama sirovina se zagrijava u prvom kotlu iz koga se dobija najlakša frakcija, ostatak se vodi u sledeći kotao i tako redom, ovisno o mogućem broju frakcija.

• U cjevastoj destilaciji nafta se predgrijava izmjenom topline s proizvodima, a dogrijava u cijevnoj peći i vodi u donji dio kolone.

• Za destilaciju nafte upotrebljavaju se:– Kolone s podovima (sitasti i perforirani),– Kolone sa kapama u obliku zvona ili plivajućih ventila – Kolone napunjene prelivnim tijelima.

• Koju od navedenih vrsta kolona treba odabrati ovisi o nizu faktora kao što su:– Osnovna namjena,– Potrebni kapacitet,– Fleksibilnost u periodu eksploatacije,– Odnosi plinovite i tekuće faze pri destilaciji,– Dozvoljeni pad pritiska u koloni i drugi.

• Kolone sa podovima dosta su u upotrebi. Na podovima tih kolona smješteni su otvori posebnog oblika koji služe za prolaz tih para (slika 4.32), a poklopljeni su kapama koje na donjem dijelu imaju prolaze.

• Pare, koje ulaze kroz posebne otvore na podu, kreću se prema gore čime se prolazom kroz tekućim ostvaruje kontakt faza potreban za frakcionaciju.

Kolone za rektifikaciju

• Specijalni postupci destilacije nazivaju se rektifikacijom. To je difuzijska tehnološka operacija za razdvajanje tekućih smjesa u frakciji, na osnovi razlika isparljivosti njihovih sastojaka.

• To se ostvaruje sistematskim ponavljanjem isparavanja i kondezacije u direktnom kontaktu protivstruja i parnih faza, pri tome se lakše isparljivi sastojci koncentriraju u parnoj fazi, a teže isparljivi sastojci se koncentriraju u tekućoj fazi.

• Rektifikacija se provodi:– stepenovanim postupcima, za koju se

upotrebljavaju kolone sa protočnim pliticama i – postupcima kontinuiranog kontakta faza, za koji

služe kolone sa prokapnim tijelima, odnosno punjene kolone.

• Izbor jednog od navedenih postupaka rektifikacije ovisan je o nekoliko faktora (težina, dimenzije i slični), a posebno o ekonomskim pokazateljima.

Kolone za rektifikaciju stepenovanim postupcima

• Rektifikacija stepenovanim postupcima je serija približno ravnotežnih destilacija koje su međusobno povezane tako da se iz svake od njih para uvodi u tekućinu više smještenog stepena, a tekućina u niže smješteni stepen.

• Količinu pare V1 potrebno je ukapljati i od tako dobijene tekućine vratiti jedan njen dio (refluks) u prvi stepen, a drugi dio (ostatak) kapljevine odvesti kao destilat ili vršni proizvod. I tako ide redom po svim stepenima.

Rektifikacija kao serija ravnotežnih destilacija:(1-7) ravnotežni stepeni, (8,9) grijači, (10) kondezator.(F) Količina pojne smjese, (LR) pretoka destilata, D destilat, (V1 - V7) količina pare, (L1 - L7) količine kapljevine koje napuštaju stepene 1 – 7, (B) proizvod dna

Rektifikacija kontinuiranim kontaktom faza

• U kolonama za rektifikaciju kontinuiranim kontaktom faza upotrebljavaju se različita prokapna tijela, čije se granice kreću u granicama od 3 do 150 mm. Proračun ovih kolona analogan je proračunu kolona za apsoprciju plinova.

• Promjer kolone sa prekapnim tijelima određuje se na osnovu stvarnih brzina struja procesnih faza i na osnovu brzina potapanja kolone.

Razni umeci za rektifikacione koloneKolona za rektifikaciju sa strukturiranim punilima

Projektovanje kolona za rektifikaciju

• Kod projektovanja rektifikacijskih kolona polazi se od:– proizvoda traženog kvaliteta,– prerade određene količine smjese i – mogućnost promjene količine prerađene smjese bez

promjene kvaliteta proizvoda.• Projektovanje obuhvata definisanje procesnog pritiska, broj

potrebnih podova, konstrukciju podova, plašt i priključke kao i ostalu opremu rektifikacijskog postrojenja.

• Izbor radnog pritiska rektifikacione kolone, ako to nije uslovljeno nekim drugim potrebama, obavlja se na osnovu optimalnih troškova rektifikacije.

• Nakon određivanja radnog pritiska rektifikacijske kolone, pristupa se određivanju ostalih promjenjljivih veličina (količina sirovine, sastav sirovine, entalpija sirovine, sastav destilata i proizvoda dna itd.).

• Za proračun rektifikacijske kolone odredi se broj mogućih varijabala Nv,pa se matematičkim izrazima naznače njihovi odnosi, a potom odrede nezavisne jednačine (ograničenja).

• Za slučaj da je broj ograničenja Nc jednak broju mogućih varijabala, sistem je potpuno određen. U protivnom, ako je Nv – Nc = NI znači da još treba odrediti NI varijabli, gdje NI predstavlja broj projektnih varijabli.

• Može se reći da konstruisanje rektifikacione kolone s podovima počinje određivanjem plašta kolone, a nastavlja se raspoređivanjem plitica i priključaka kolone. Za određivanje potrebnog broja plitica najbolje je poslužiti se promatranjem procesa u tri sekcije procesne aparature (kao na slici).

– Prva sekcija obuhvaća sekciju (iznad ulazne plitice smjese) za retifikaciju sa kondezatorom (ako je ugrađen),

– Druga sekcija je sekcija oko ulaza smjese i– Treća sekcija obuhvaća dio za isparivanje i isparivač.

• Nakon određivanja broja plitica pristupa se određivanju ostalih veličina procesa i rektifikacije kolone. Broj plitica se može odrediti i grafičkim putem.

Podjela rektifikacijske kolone sa pliticama na sekcije:

(I)Sekcija iznad ulaza napojne smjese,(II)Sekcija ulaza napojne smjese i(III)Sekcija ispod ulaza napojne smjese.

Određivanje osnovnih dimenzija kolone

• Određivanje osnovnih dimenzija kolone obuhvata određivanje osnovnih parametara:– Promjer kolone,– Visinu kolone,– Izbor vrste i dimenzioniranje podova kolone,– Određivanje broja podova i njihovih međusobnih razmaka i– Definiranje kolone kao posude pod pritiskom.

• Promjer kolone se određuje ovisno o presjeku kolone po horizontali.

• Presjek kolone po horizontali određuje se iz odnosa volumena pare koja se kreće kroz kolonu odozdo naviše i brzine kretanja te pare:

Brzina proticanja pare kroz podove jek- koeficijent razmaka podova (tabelarno)

785,00AD

p

p

v

VA 0

p

p

kv

• Visina kolone određuje se u zavisnosti od o broju podova i njihovom međusobnom rastojanju.

• Visina kolone je

gdje je:H1-razmak između podova

nstv- stvarni broj podova

stvnHH 1

• Ako je pod kolone zvonast tada se mogu odrediti dimenzije kratkih cijevi poda, odnosno presjek tih cijevi

• Za svaki određeni slučaj usvaja se standardni presjek cijevi, pa se onda može odrediti ukupan broj cijevi koje prolaze kroz pod kolone:

010.0 AAcij

cij

cijcij d

An

785,0

• Dimenzije zvona mogu se odrediti tako što je presjek protoka kroz cijev jednak presjeku protoka između cijevi zvona:

• Za podove sa zvonima može se uzeti da je ukupni pad pritiska u granicama od 200-400 Pa. Rastojanje između podova može se odrediti na osnovu da je

i ono je jednako približno dužini cijevi za prelivanje. • Za podove sa zvonima pad pritiska iznosi 200-400 Pa pa bi

rastojanje trebalo da bude veće od 0,05 m, što je i ostvareno u industrijskim kolonama svih dosadašnjih izvedbi.

cijz

cijz

dd

AA

4,1

g

pH

L

uk

8,11

Reaktori• Pod hemijskim reaktorima, u najužem smislu,

podrazumijevaju se termički hemijski reaktori, koji ne obuhvataju aparate za vođenje nekatalitičkih reakcija u čvrstim tvarima, i elektrohemijski reaktori, koji se obično posmatraju kao posebne skupine uređaja procesne tehnike.

• Izučavanju hemijskih reaktora može se pristupiti na dva načina:– Izučavanje opštih procesa hemijskih reaktora i – Izučavanje hemijskih reaktora za specifične hemijske

procese (alkacija, dehidratacija, halogenacija, hidrogenacija, izmjena jona, kataliza, nitracija i sulfuriranje).

• Hemijski reaktori mogu se klasificirati ovisno o sljedećim faktorima:– agregatnom stanju reaktanata,– načinu pogona (kontinuirani ili intermitentni),– termičkom stanju u reaktoru,– konstrukciji reaktora i – stanju slojeva učesnika u reakciji.

• Ovisno o agregatnom stanju reaktanata razlikuju se:

– reaktori za jedinične procese u homogenim fluidima,– reaktori za jedinične procese u heterogenim sistemima

fluida i – reaktori za jedinične procese s reakcijama na čvrstim

katalizatorima.

• Prema načinu pogona razlikuju se reaktori sa:– kontinuiranim pogonom, koji su ekonomičniji ali se ne

mogu uvijek ostvariti u praksi jer postoji mnogo jediničnih procesa koji zahtijevaju intermitirano vođenje pogona, prikladni za manji proizvodni kapacitet i

– polu kontinuiranim pogonom, kod kojih se reaktanti uvode pod određenom frekvencijom, a proizvodi se odvode na kraju reakcije.

• Prema termičkom stanju u reaktoru mogu nastupiti sledeći slučajevi:– reakcije bez izmjene topline s okolinom (adijabatski

reaktori) i – reakcije sa izmjenom topline s okolinom (reaktori sa

kontroliranom temperaturom).

• S obzirom na konstrukciju reaktora razlikuju se:– kotlovski i– cijevni reaktori.

• Kotlovski reaktori koriste se za jedinične procese u kojima sudjeluje bar jedan reaktant u tekućoj fazi.

• To su otvorene ili zatvorene cilindrične posude koje se međusobno razlikuju po obliku podnice i po pomoćnim uređajima za miješanje i izmjenu topline sa okolinom i mogu se spajati u seriju.

• Cijevni reaktori sastoje se od jedne ili više cijevi (slika 4.10) u kojima se, po potrebi, nalazi katalizator. Ovi reaktori upotrebljavaju se najčešće za reakcije u plinovitoj fazi. Prednost ovih reaktora je u tome što imaju manji volumen od kotlovskih reaktora za isti kapacitet, a pogodni su za reakciju pod pritiskom.

• Projektovanje i eksploatacija reaktora• Hemijski reaktori projektuju se tako da se osigura odvijanje

hemijskih reakcija, što uključuje:– potrebno trajanje (zadržavanje) reaktanata u reaktoru,– potrebnu intezivnost miješanja,– postizanje i održavanje potrebne temperature.

• Kao osnova projektovanju služe matematički modeli koji obuhvaćaju: materijalni bilans, toplinski bilans, fizikalne kinetičke reakcije i hemijske kinetičke reakcije.

• Za kvalitetno projektovanje potrebno je predvidjeti uslove vođenja pogona i kvalitet održavanja, te stabilnost procesa u reaktoru.

• Materijalni i toplotni bilans• Materijalni bilans reaktora zasniva se na principu

održavanja mase, koji vrijedi za hemijske procese. • U svakom trenutku vrijedi princip da masa koja ulazi

u reaktor mora biti jednaka zbiru masa koje izlaze iz reaktora, odnosno mase koje izlaze iz promatranog volumena, mase koja se akumulira u tom elementu i mase koja se hemijskom reakcijom transformira u istom elementu volumena.

• Prema tome za reaktant A vrijedi izraz:

• gdje su: – mAu ukupna masa reaktanta A

– mAi izlazna masa reaktanta A

– mAa akumulirana masa reaktanta A

– mAp transformirana masa reaktanta A

Apm

Aam

Aim

Aum

• Bilans topline za element volumena reaktora u vrlo kratkom vremenu:

izaipu qqqqq 1

gdje je:

• qu - toplina unešena s reaktantima u reaktor,

• qp - toplina koja je nastala kao posljedica hemijskih reakcija, a može biti pozitivna ili negativna,

• qi1 - toplina koju odnese proizvod reakcije,

• qa- toplina koja se akumulirala u promatranom elementu volumena i

• qiz - toplina koja odlazi u okolinu.

• Miješanje u reaktoru• Intezitet miješanja može varirati od takozvanog

nultog miješanja, u kome slučaju fluid prolazi put od ulaza do izlaza iz reaktora, a da se ni jedan element fluida ne miješa sa drugim elementima, do savršenog miješanja.

• Nulto miješanje odvija se u cijevnim reaktorima, a savršeno miješanje odvija se u kotlovskim reaktorima.

• U realnom reaktoru ne može se ostvariti ni nulto ni savršeno miješanje.

• S obzirom na intezitet miješanja potrebno je definisati sljedeće karakteristike reaktora:– vrijeme punjenja reaktora ovisno o brzini dotoka u

reaktor i volumena reaktora.– vrijeme zadržavanja je vrijeme potrebno da

čestica fluida prođe kroz reaktor i – srednje vrijeme zadržavanja jednako je vremenu

punjenja reaktora (kod reaktora sa nultim miješanjem vrijeme punjenja je jednako vremenu zadržavanja).

Izmjena topline• Uređaji za izmjenu topline potrebni su u svim reaktorima osim u adijabatskim. Medij kojim se

hladi ili grije, struji izvan cijevi, a hemijska reakcija se odvija u cijevima. U reaktorima sa naizmjeničnim nepomičnim slojevima toplina se izmjenjuje preko cijevnih spirala ili preko snopa cijevi smještenog između slojeva (slika 4.13).

• Kod kotlovskih reaktora s kontinuiranim ili intermitentnim pogonom izmjena topline ostvaruje se pomoću plašta postavljenog oko reaktora (slika 4.14a) ili pomoću cijevne spirale postavljene u reaktoru (slika 4.14b) za slučajeva kada je potrebna mala izmjena topline. Za potrebe veće izmjene topline, ali i radi sprečavanja taloženja na cijevima postavlja se vanjski izmjenjivač topline sa cirkulacijskom pumpom (slika 4.14c).

• Stabilnost reaktora• U fazama projektovanja potrebno je utvrditi da li reaktor može

stabilno raditi odnosno treba utvrditi da li će sistem bez vanjskih uticaja povratiti u prethodno stanje ako se pojavi neki poremećaj bilo koga obima.

• Nestabilnost je svojstvena u kotlovskim reaktorima, dok se kod cijevnih reaktora pojavljuje prelaz iz jednog stacionarnog u drugo stacionarno stanje.

• Odgovarajućom razradom materijalnih i toplinskih izraza dobijaju se uslovi stabilnosti reaktota:

gdje su: α, β, δ, m i n veličine koje se, za svaki reaktor određuju posebno (vezane su za materijalni i toplinski bilans).

• Određivanje uslova stabilnosti provodi se za određeni tip reaktora i odabrani uređaj za izmjenu topline.

011

02

n

m

• Metode projektovanja industrijskih reaktora• Može se reći da se projektovanje hemijskih reaktora

svodi na primjenu rezultata eksperimentalnih ispitivanja na industrijske uslove rada.

• Pri tome se javlja problem da na brzinu hemijskih reakcija utiču prenos mase i topline, koji zavise od tipa i veličine reaktora.

• Projektovanje hemijskih reaktora može se izvesti:– empirijskim metodama i– alternativnim semiempirijskim metodama.

• Empirijska metoda se koristi za projektovanje reaktora kada se raspolaže sa dovoljno podataka. Ova metoda zahtjeva dugo vrijeme istraživanja i velike troškove i nepodesna je za komplicirane procese.

• Semiempirijske metode projektovanja hemijskih reaktora u osnovi se sastoje u kombiniranju teorijskih metoda sa eksperimentalnim kinetičkim podacima dobijenim u laboratorijskom ili poluindustrijskom reaktoru. Od teorijskih metoda obično se koriste matematičko modeliranje i teorija sličnosti.