166693. lajstromszámú szabadalom • Transzportfolyamatok intenzifikálására szolgáló agitátorok és alkalmazásuk heterogén kémiai reakciók folyamatos kivitelezésére

166693 seggel forgathatók, mégis viszonylag kicsi a keverési hatékonyságuk, mert kicsi a keverő szállítóteljesltmónye. A nyíróéi további növelésére a tárcsát „bevágják", és a bevágott részeket, mint a fűrészfogakat a tárcsák síkjából 45°-os, vagy kisebb szögben kihajtják. Ezek az úgynevezett fogazott tárcsás, másként szuperkeverők (dissolver). Közös jellemzője ezen keverőknek még, hogy az agitátor elemek két-, háromdimenziós kiterjedésük mellett egyaránt mereven vannak felrögzítve az agitátor-csonkra, a keverő tengelyére. A keverők két- és háromdimenziós kiterjedéséből, merev rögzítéséből eredően, azok fordulatszáma növelésének határt szab a folyadékellenálláson kívül tömegük, amelyet a tervezésnél az w krit-.sal, a kritikus szögsebességgel határoznak meg, s amely a keverő tömegének négyzetgyökével fordítva arányos. Az irodalom szerint, ha a keverő kerületi sebessége 4 m/s-nál kisebb, gyenge keverésről, ha 4—7 m/s, akkor közepes és ha 7—11 m/s, akkor erős keverésről van szó. A különböző fázisok keverésére használt egyéb típusok, mint a kétkarű dagasztok (pl. Z keverő), csigás dagasztok, bolygóműves gyúrógépek stb. mind jól definált háromdimenziós kiterjedésűek, s általában alacsony fordulatszámmal üzemelnek. A keverőktől eltérően valósítják meg a fázisok diszpergálását a homogenizálok: kolloidmalmok, nagynyomású homogenizálok, speciális golyósmalmok (gyöngymalmok). Azonban ezeknél is, ahol a folyadékokat nagy sebességgel áramoltatják, az agitátoroknak jól definiált felületei (pl. két kúpos-, sima Vagy rovátkolt felület a kolloidmalmoknál) vannak, amelyek egyike áll, míg a másik nagy fordulatszámmal diszpergál. Hatékonyságuk szempontjából döntő a rés, a hézag mérete, amely 0,01— 3 mm között szokott lenni. Ezektől eltérő módon diszpergálnak a gyöngymalmok, ahol a keverőtér közel 60%-át különböző nagyságú: 0,3—3 mm-es golyókkal töltik kí, amelyeket valamilyen keverő mozgat a diszpergálandő közegben. A heterogén fázisok keveréssel történő diszpergálásánál régóta felismerték a Reynolds szám jelentőségét, amelynek 3000-nél kisebb értéke esetén lamináris áramlásról, míg ennél nagyobb értékei esetén turbulens áram' lásról beszélünk. Ismeretes az is, hogy a transzportfolyamatok szempontjából előnyös, ha azokat a turbulencia tartományában vitelezzük ki. A Re szám értéke a folyadék jellemzőin kívül forgó keverők esetében a keverő átmérőjétől: d és a fordulatszámtól: n, vagy másként a kerületi sebességtől függ. Ahhoz, hogy a transzportfolyamatok sebességét növelni lehessen, szükséges a keverő kerületi sebességét növelni, az átmérő vagy a fordulatszám, vagy mindkettő egyidejű növelésével. A forgó keverők (turbina, propeller) esetében a fordulatszám növelésének határt szab az w krit., míg a konstrukciós tapasztalatok szerint a keverő átmérő: d ós a készülék átmérő: D, legkedvezőbb Viszonya, a D: d általában 3. A komponensek, a különböző fázisokban levő reakciópartnerek diszpergálása alapvető befolyást gyakorol a heterogén fázisú kémiai reakciókra. A reakció csak a fázisok határfelületein játszódik le, ahová a reakciópartnereknek oda kell diffundálni, majd a reakció lejátszódása után a keletkezett termékeknek a határfelületről el kell diffundálni. Tekintve, hogy a szorosan vett kémiai reakciósebesség lényegesen gyorsabb, mint a diffúziósebesség, a mű-5 velet időszükségletét a diffúziósebesség és a határfelület nagysága szabja meg. Különösen jelentős a határfelület szerepe azoknál a heterogén reakcióknál, amikor a reakció nem izoterm, hanem hőtermeléssel jár. Ilyen esetekben a rendszerben nemcsak jelentős koncentrációgra-10 diens, hanem hőgradiens is kialakul, amely az esetek többségében a reakció egyensúlyának nem kívánt eltolódásához, a hozamot csökkentő káros melléktermékek keletkezéséhez vezet. Az anyagátadás (komponenstranszport) és hőátadás 15 (hőtranszport) sebességének növelése érdekében a fázisok diszperzitásfokát növelik, a határfelületet növelik és a diffúziós úthosszát csökkentik, s ezzel a műveleti időt kívánják csökkenteni. A transzportfolyamat sebességét, az impulzus-, kom-20 ponens- és hőáramsűrűségének növelését azok intenzifikálásával kívánják elérni. A korszerű, dinamikus termodinamika értelmezése szerint (Dr. Szolcsányi Pál: Vegyipari műveleti egységek energetikai analízise. Műszaki Könyvkiadó. Budapest, 1972. 296—324 o.) inten-25 zifíkáláson leggyakrabban valamely folyamat sebességnövelését: az impulzus-, komponens- és hőtranszport sebességének növelését értjük ugyanazon térfogatban, illetve felületen. Az alapvető transzportfolyamatok analógiája szerint 30 a komponens- és hőtranszport intenzifikálása csak az impulzustranszport növelése árán lehetséges, ha a transzportfelület állandó. Az intenzifikálás további lehetőségei: — a felület, pontosabban a térfogategységre eső faj-35 lagos felület megnövelése, — a turbulencia mesterséges növelése, — a határréteg vastagságának csökkentése (pontosabban a lamináris alréteg vastagságának csökkentése). 40 A heterogén fázisú kémiai reakciók esetében is ezen tényezők, az intenzifikálás teszi lehetővé, hogy a reakciótérben csökkenjen a koncentráció- és hőgradiens, illetve zérus felé közelítve gyakorlatilag koncentráció-, és hőgradiens mentes legyen a reakciótér. Határesetben, 45 ha a gradiens a zérust megközelíti, a művelet folyamatosan kivitelezhető. A folyamatos kivitelezés előnye, hogy kisebb berendezést igényel, egységesebb összetételű, állandó jó minőségű terméket ad kevesebb káros melléktermékkel, gaz-50 daságosabban, termelékenyebben. A transzportfolyamatok intenzifikálására irányuló kísérleteink során azt találtuk, hogy ha az agitátor-elemek szokásos geometriai méreteinek megváltoztatásával, csökkentésével kifejlesztett új agitátorokat: P pontszerű 55 és W vonalszerű agitátorokat alkalmazunk, az intenzifikálást minőségileg hatékonyabban érjük el. A találmány szerinti ezen új agitátorokat P pontszerű és W vonalszerű elemek alkotják. A P pontszerű, az intenzifikálandó térhez viszonyítva gyakorlatilag kiterje-60 désnélküli elemeket nulla dimenziósoknak tekinthetjük, míg a W vonalszerű, az intenzifikálandó térhez viszonyítva gyakorlatilag egy kiterjedéssel (hosszúság) bíró elemeket pedig egydimenziósoknak tekinthetjük. A találmány tárgyát képező új agitátor elemeket az 65 1—7. ábrák szemléltetik. A rajz terjedelem korlátozott 2