190820. lajstromszámú szabadalom • Eljárás és berendezés turbulensen áramló folyadékban diffúziós kinetikával végbemenő heterogén átalakulás ellenőrzésére
1 190 820 2 A találmány tárgya eljárás turbulensen áramló folyadékban diffúziós kinetikával végbemenő heterogén átalakulás ellenőrzésére, továbbá az eljárás megvalósítására is alkalmas berendezés. A technikában nagy számban fordulnak elő olyan folyamatok, amelyeknél áramló folyadékban heterogén átalakulás megy végbe. Heterogén átalakuláson a bizonyos felületeken, például fázisok határfelületein (így folyékony diszperz fázis mellett másik folyékony, vagy szilárd vagy légnemű diszperz fázist tartalmazó rendszerekben), katalitikus tulajdonságú felületeken, folyadékba merülő elektródokon vagy folyadékot tartalmazó edény falán lejátszódó kémiai, illetve fizikai-kémiai átalakulásokat értünk. Ezek közül a találmány folyadékokban végbemenő olyan heterogén átalakulások ellenőrzésére vonatkozik, amelyekre teljesül egyrészt az, hogy a folyadék turbulensen áramlik, másrészt a heterogén átalakulás diffúziós kinetikájú, azaz az átakulás sebességét vagy a heterogén átalakulásnak helyet adó felületre a folyadék belsejéből, vagy erről a felületről a folyadék belsejébe történő anyagszállítás sebessége szabja meg. Folyadékban végbemenő heterogén átalakulások ellenőrzésére jól ismertek a közvetlen eljárások, amelyek lényege a mintavételezés és a minta kémiai, vagy fizikai-kémiai elemzése. Ezek az eljárások biztosítják ugyan a gyakorlatban megkívánt pontosságot, de a valós idejű beavatkozást általában nem teszik lehetővé; a változó feltételek között zajló gyors ipari folyamatok esetében szabályozási feladatok ellátására alkalmatlanok. Esetenként maga a mintavételezés is nehezen oldható meg, különösen olyan folyamatoknál, ahol ehhez az ipari művelet leállítására is szükség lenne. Külön problémát jelent a kis mennyiségben jelen levő összetevők mennyiségének ellenőrzése mintavételezéssel, ugyanis megbízható eredményt csak több minta elemzése adhat - egy mintában a részarány jelentős mértékben eltérhet a tényleges átlagértéktől. Az ismert megoldások másik csoportját a közvetett eljárások alkotják, amikor is az átalakulás sebességéről, illetve előrehaladásáról közvetett úton, a koncentrációval változó paraméterek (nyomás, hőmérséklet, szín, hang stb.) megfigyelése útján nyernek információt. Az információt általában viszonylag gyorsan lehet nyerni, de pontossága vagy teljessége nem elegendő megbízható szabályozási folyamat létrehozására. Az acélgyártásban az oxigénes konverterfolyamat irányításához javasoltak akusztikus elven alapuló ellenőrzési eljárást (Baptízmanszkij, V. I. és társai, IVUZ, Csornája Metallurgia, 1982/2, 34-38. old.). A javasolt eljárás lényege az acélfürdőben oxigén befúvatásának hatására keletkező hangjelenség, pontosabban az azt jellemző hangnyomásszint követése. A felismerés szerint a hangnyomásszint ugrásszerű megnövekedése az acélfürdő feletti salakréteg olyan mértékű besűrűsödésére utal, amelynél célszerű az oxigén befúvatásának leállítása. Ezzel ugyan káros másodlagos folyamatok kifejlődését lehet megakadályozni, de nem nyerhető olyan, a reprodukálhatóságot biztosító informció, amellyel a fürdő karbontartalmának változásáról lehetne egyértelmű adatot kapni. A találmány célja olyan eljárás és berendezés kidolgozása, amelynek segítségével a mintavételezés elkerülhető és turbulensen áramló folyadékban diffúziós kinetikával végbemenő heterogén átalakulásokra jellemző megbízható koncentrációadatok közvetett úton nyerhetők. A találmány alapja az a felismerés, hogy a turbulensen áramló folyadékokban jelen levő buborékok (gáz-, gőz-, illetve kavitációs buborékok) rezgései által keltett folyadékhang spektrális összetétele és az átalakulásra jellemző turbulens diffúziós tényező nagysága között egyértelmű kapcsolat van: ha a turbulens áramlás során az átalakulásra jellemző Dlurb turbulens diffúziós tényező értéke növekszik, akkor a folyadékhang folyamatos spektruma jellegzetes módon változik: a ténylegesen lefedett frekvenciasávon beiül egy frekvenciaszint feletti, illetve alatti energiatartalmak (effektiv értékek) aránya növekszik. Ez úgy is megfogalmazható, hogy a Dlurb turbulens diffúziós tényező értékének növekedésével a folyadékhang spektrumában a nagyobb fekvencijú összetevők amplitúdói a kisebb frekvenciájú összetevőkéhez képest növekszenek. Ennek megfelelően az időben változó spektrumhoz rendelhető egy olyan időfüggvény, jelölje ezt R(t), amely a Dlurb turbulens diffúziós tényezővel szigorúan monoton növekvő függvénykapcsolatban van. Ennek a felismerésnek a hasznosítását segíti elő az a tény, hogy a turbulensen áramló folyadékban diffúziós kinetikával végbemenő heterogén átalakulások esetén a jellemző aktuális koncentrációkat ismert módon ki lehet számolni a turbulens diffúziós tényező aktuális értékeinek felhasználásával. Ehhez ismernünk kell a kezdeti koncentrációt, a heterogén átalakulásnak helyt adó felület nagyságának az időtől és/vagy a koncentrációtól való függését, ha ez nem állandó, egyensúllyal jellemezhető átalakulás esetén az egyensúlyi koncentrációt meghatározó adatokat, továbbá az átalakulás sebességi törvényében szereplő konstans számértékét. A találmány feladata a fenti felismerést hasznosító eljárás és berendezés kidolgozása turbulensen áramló folyadékokban diffúziós kinetikával végbemenő heterogén átalakulás valós idejű ellenőrzésére, amely az áramlást kísérő hangjelenség változásának elemzésén alapul. így a kezdeti koncentrációértékek ismeretében, valamint az átalakulásba való aktiv beavatkozások (például hatóanyag adagolása stb.) adatainak alapján a hangjelenség követésével valósidejű ellenőrzést biztosító eljárás és berendezés megalkotása a feladat. A kitűzött feladat megoldására egyrészt eljárást, másrészt berendezést dolgoztunk ki. Az eljárás lényege, hogy a turbulensen áramló folyadékban jelen levő gáz- és/vagy gőzbuborékok rezgései által keltett hangnak, vagy e hang által vezetés útján szilárd testben kiváltott vibrációt érzékeljük, az érzékelt jelet szükség szerint zajszűrésnek vetjük alá, majd belőle a spektrális összetételt tükröző villamos jelet állítunk elő és ezt a folyadékáramlás turbulens diffúziós tényezőjének pillanatnyi relatív 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
