Inżynieria Chemiczna Transport masy i ciepła

Transkrypt

1 Inżynieria Chemiczna Transport masy i ciepła dr hab. inż. Agnieszka Gubernat gubernat@agh.edu.pl p.1.21; budynek B8

2 PALIWA, WŁAŚCIWOŚCI PALIW, SPALANIE

3 PALIWA PRZEMYSŁOWE (CHEMICZNE ŹRÓDŁA ENERGII) Materiały palne, które w ocenie techniczno-ekonomicznej mogą być źródłem energii. STAŁE naturalne: drewno, torf, węgiel brunatny, węgiel kamienny, antracyt, sztuczne: węgiel drzewny, koks, półkoks GAZOWE naturalne: gazy ziemne sztuczne: gaz koksowniczy, gaz czadnicowy gaz wielkopiecowy CIEKŁE naturalne: ropa i produkty destylacji, sztuczne: smoła węglowa i produkty destylacji,

4 PALIWA PRZEMYSŁOWE występują w takich ilościach, że ich techniczne użycie może być zapewnione przez długi czas, wykazują należyty stosunek pomiędzy kosztem wydobycia lub jego otrzymywania a ciepłem wywiązywanym przy jego spalaniu,

5 PALIWA NATURALNE PALIWA NATURALNE powstały w wyniku metamorfozy substancji organicznych zawierających w swym składzie węgiel, wodór, tlen i azot. HUMOLIT produkty metamorfozy roślin np. tofr, węgiel kamienny, (łc. humus ziemia + gr. lihtos kamień ) SAPROPELIT produkty metamorfozy zwierząt np. ropa naftowa, gaz ziemny RECESYJNE ROŚLINNE ZWIERZĘCE TORF PALIWA NATURALNE HUMOLITY WĘGIEL BRUNATNY WĘGIEL KAMIENNY ANTRACYT KOPALNE SAPROPELITY ROPA GAZ ZIEMNY

6 PALIWA SZTUCZNE Są wytwarzane: 1) Bez wprowadzenia zmian chemicznych, tylko przez nadanie innej formy zewnętrznej np. brykiety, 2) W celu wytworzenia paliwa, które w naturze nie występuje (koksowanie, odgazowanie), 3) Przez całkowitą zmianę paliwa stałego na gazowe, 4) Przez przeróbkę (destylację) ciekłego paliwa naturalnego (ropy naftowej) lub sztucznego (smoły węglowej), DESTYLACJA - rozdzielanie ciekłej mieszaniny wieloskładnikowej poprzez odparowanie, a następnie skroplenie jej składników. Stosuje się ją w celu wyizolowania lub oczyszczenia jednego lub więcej związków składowych. Proces wykorzystuje różną lotność względną składników mieszaniny.

7 PALIWA CIEKŁE ropa i produkty destylacji, smoła węglowa i produkty destylacji, Niewielkie ilości paliw ciekłych otrzymuje się również z gazu ziemnego, węgla brunatnego i łupków bitumicznych. Paliwami ciekłymi stosowanymi w przemyśle są oleje mineralne, smoły węglowe i mazut. Podstawowymi składnikami tych paliw są węglowodory. Ilościowy stosunek węgla do wodoru jest w różnych paliwach różny i ma wpływ na wartość opałową i warunki spalania paliwa. Rodzaj oleju opałowego Stosunek H/C Olej opałowy mineralny KL 0,165-0,153 Olej opałowy mineralny L 0,155-0,145 Olej opałowy mineralny M 0,145-0,135 Olej opałowy mineralny S 0,135-0,115 Olej opałowy mineralny S 0,090-0,070 Olej smołowy z węgla kamiennego 0,135-0,125 Olej smołowy z węgla brunatnego 0,135-0,125 Olej smołowy z łupków 0,147-0,140

8 PALIWA CIEKŁE Przed spaleniem paliwa ciekłe należy rozpylić i podgrzać. Oleje opałowe powstałe podczas destylacji ropy naftowej Zawierają głównie węglowodory parafinowe i naftenowe, natomiast w olejach smołowych przeważają węglowodory aromatyczne. Szerokie zastosowanie ma mazut powstały w procesie destylacji ropy naftowej. Mazut w temperaturze pokojowej 20 o C jest smarem (b. lepką cieczą) i przed spaleniem należy go podgrzać. Q w wynosi kj/kg. Otrzymywanie oleju opałowego z ropy naftowej polega na destylacji pod ciśnieniem atmosferycznym i krakingu, celem zwiększenia wydajności benzyny. Olej opałowy ze smoły węglowej otrzymuje się przez ciągłą destylację smoły pod ciśnieniem atmosferycznym z dodatkiem przegrzanej pary wodnej wg metody Ab-der-Halden.

9 SCHEMAT PRZERÓBKI ROPY NAFTOWEJ Benzyna surowa Nafta surowa Odsiarczanie lub rafinacja kwasowa Odsiarczanie Gazolina NAFTA BENZYNA (ok. 25%) ROPA NAFTOWA DESTYLACJA Olej gazowy napędowy Mazut KRAKING gazy destylat ciśnieniowy Polimeryzacja Odsiarczanie, Rafinacja ziemią lub dodatek inhibitora Olej opałowy (destylat) Olej opałowy krakingowy Polibenzyna Gazy skroplone Gaz krakingowy Benzyna krakingowa

10 INNE PALIWA CIEKŁE Benzol otrzymywany podczas odgazowania węgla kamiennego. W swoim składzie zawiera głównie benzen, toluen i ksylen oraz, w mniejszych ilościach tiofen, pirydynę i fenol. Gazolina gaz ziemny (naftowy) zawiera obok metanu również ciężkie węglowodory, które w normalnych warunkach są cieczami i które można wydzielić za pomocą sprężania. Główne składniki gazoliny to pentan i heksan. Mieszanina najlżejszych ciekłych węglowodorów alifatycznych, uzyskiwana podczas rafinacji lub krakingu ropy naftowej albo w procesie nasycania benzyn gazem ziemnym. Używana jako rozpuszczalnik kauczuku, tłuszczów i żywic; dodatek poprawiający liczbę oktanową benzyny Gazol w gazolinie obok pentanu i heksanu występuje również etan, propan i butan, które można wyróżnić poprzez częściową destylację gazoliny i sprężanie, powstanie wówczas gazol. Mieszanina węglowodorów złożona z butanu, izobutanu i propanu, oddzielana od gazu ziemnego lub rafineryjnego; stosowany jako paliwo oraz surowiec w przemyśle chemicznym; gaz płynny. Olej gazowy (olej napędowy; ropa ) jest używany do napędu silników wysokoprężnych (Diesla),

11 RODZAJE SMOŁY SUROWEJ smoła pogazowa smoła węglowa wysokotemperaturowa, koksownicza (dawniej również gazownicza), czarna, mazista powstaje przy odgazowaniu węgla kamiennego w temperaturze ok C smoła generatorowa smoła węglowa średniotemperaturowa, z niektórych metod zgazowania węgla, brunatno czarna, oleista powstaje przy odgazowaniu węgla kamiennego w temperaturze ok C smoła wytlewna (prasmoła) smoła niskotemperaturowa (uzyskiwana w temperaturach ok C lub nieco niższych, czasem nieco wyższych) o składzie zróżnicowanym w zależności od surowca: z węgla kamiennego główny produkt niskotemperaturowego odgazowania węgla kamiennego (preferowane są węgle młodsze mające więcej części lotnych); od smoły wysokotemperaturowej różni się m.in. mniejszą zawartością węglowodorów aromatycznych, a większą alifatycznych z węgla brunatnego zwykle o stosunkowo dużej zawartości węglowodorów nienasyconych, wyższych fenoli i parafin z łupków bitumicznych prasmoła łupkowa przypomina ropę naftową o dużej zawartości frakcji olejowych (i bywa przerabiana analogicznie jak ropa) z drewna smoła drzewna, czasem zwana dziegciem,

12 PALIWA GAZOWE gazy ziemne sztuczne: gaz koksowniczy, gaz czadnicowy, gaz wielkopiecowy Gazy ziemne Dzielimy na suche i mokre. Gazy ziemne suche zawierają ok. 98% CH 4 czyli metanu. Gazy mokre zawierają domieszkę cięższych węglowodorów grupy parafinowej. Składniki te oddziela się od mokrego gazu i otrzymuje tzw. gazolinę. Wartość opałowa gazu ziemnego wynosi od do kj/m 3. Mimo dużej wartości opałowej gaz ziemny posiada niższą temperaturę spalania od gazu koksowniczego. Wynika to z dużego zapotrzebowania powietrza do spalania i związanej z tym większej objętości powstałych spalin. Gazy suche spalają się płomieniem nieświecącym, co ma niekorzystny wpływ na wymianę ciepła. Dlatego podczas spalania gaz ziemny miesza się z olejem opałowym proces ten nazywa się karburyzacją.

13 WŁAŚCIWOŚCI PALIW Temperatura zapalności paliw wówczas ciepło wydzielone z reakcji utleniania w jednostce czasu jest równe ciepłu odprowadzonemu do otoczenia. Paliwo temperatura zapalności o C drewno węgiel kamienny koks paliwa gazowe ok. 700 ropa ok. 380 Granica zapalności procent objętościowy paliwa w mieszance z powietrzem, w którym następuje zapłon Wodór od 4 do 80% CO od 12,5 do 74,2% CH 4 od 2,5 do 15,4% C 2 H 2 od 1,5 do 82% nafta od 1,1 do 7%

14 SPALANIE PALIW Spalanie proces łączenia się pierwiastków palnym z tlenem z kontrolowaną szybkością reakcji. Jest to inaczej szybko przebiegający proces utleniania. Pierwiastkami palnymi w paliwach są węgiel, wodór i siarka. Paliwo składa się z substancji palnej i balastu. Substancjami niepalnymi w paliwach stałych i ciekłych są wilgoć i popiół, natomiast w paliwach gazowych azot, dwutlenek węgla i para wodna. Reakcje spalania całkowitego i zupełnego: C+O 2 = CO 2 H 2 +1/2O 2 = H 2 O S+O 2 = SO 2 Do obliczeń spalania (stechiometrii) bierzemy: 1 kg paliwa ciekłego lub stałego, 1 m 3 paliwa gazowego, Warunki: p o = 1000 hpa lub 750 mmhg T o = 273 K gęstość powietrza ρ=1,27 kg/m 3

15 SPALANIE PALIW Spalanie zupełne spalanie na produkty niepalne. Gazowe produkty utleniania składników palnych paliw, w spalinach występują zwykle na najwyższym stopniu utlenienia lub są to najtrwalsze związki np. S+O 2 =SO 2 a nie SO 3 Spalanie całkowite spalanie, gdy w produktach spalania nie ma stałych składników palnych (dym, węgiel w popiele, koksik lub sadza); Cała masa paliwa ulegnie utlenieniu; Spalanie niezupełne i niecałkowite spalanie, gdy w produktach spalania pojawia się dym, węgiel w popiele, koksik lub sadza a produkty utleniania nie są najtrwalszymi związkami. Występuje zwykle podobnie jak spalanie niezupełne przy ograniczonym dostępie tlenu.

16 CIEPŁO SPALANIA (Q C ) Jest to ilość ciepła powstała podczas całkowitego i zupełnego spalania jednostki paliwa przy założeniu, że spaliny zostały ochłodzone do temperatury pierwotnej substratów, a para wodna pochodząca z wilgoci paliwa i spalania wodoru ulega skropleniu. Jest ono większe od wartości opałowej o ciepło kondensacji całkowitej ilości wody zawartej w spalinach. Nazywane jest także Górną wartością opałową. WARTOŚĆ OPAŁOWA (Q w ) Jest to ilość ciepła powstała podczas całkowitego i zupełnego spalania jednostki paliwa przy założeniu, że spaliny zostały ochłodzone do temperatury pierwotnej substratów, a para wodna pochodząca z wilgoci paliwa i spalania wodoru znajduje się w postaci pary. Q = Q rw w Zatem ciepło spalania będzie równe: c 0 gdzie: r kj/kg, Q = Q + rw gdzie: Q w wartość opałowa kj/kg lub kj/m 3, W całkowita ilość pary wodnej powstałej przy spalaniu jednostki paliwa, c w 0

17 ZAPOTRZEBOWANIE POWIETRZA DO SPALANIA Obliczenia ilości i składu spalin Ilość tlenu dostarczona do spalania 1kg paliwa (stałego lub ciekłego) lub 1m 3 paliwa gazowego zgodnie ze stechiometrycznymi równaniami spalania nazywa się TLENEM TEORETYCZNYM. OO tt = 22,71 CCrr 12 + HHrr 4 + SSrr 32 OOrr mm3 32 kkkk O t Dla paliwa gazowego: 3 % CO % H2 n % CmHn % O 2 m = 0,5 + 0,5 +Σ m m POWIETRZE TEORETYCZNE teoretyczna ilość powietrza do spalania V o m m = Ot=4,76 O t lub 3 21 kg m

18 Ilość powietrza do spalania: V λ V o Liczba nadmiaru powietrza: λ = V V rzecz O λ= O Ilość powietrza wilgotnego do spalania: gdzie: x zawartość wilgoci w [g H 2 O/kg powietrza] Gdy: λ>1,0 spalanie z nadmiarem powietrza (duża ilość spalin, obniżenie temperatury spalania) λ=1,0 spalanie teoretyczne λ<1,0 spalanie z niedomiarem powietrza PALENISKO RODZAJ PALIWA WSPÓŁCZYNNIK λ ruszt płaski w. kamienny 1,6-2,2 ruszt mechaniczny w. kamienny 1,4-1,6 o = V = λ V ( 1+ 0, 0016x) pyłowe pył węglowy 1,05-1,2 Palniki gazowe gaz 1,05-1,2 Palniki olejowe paliwa ciekłe 1,1-1,2 c t o

19 ILOŚĆ I SKŁAD SPALIN Ilość wilgotnych spalin rzeczywistych powstałych przy spalaniu paliwa ciekłego lub stałego λ>1,0 VV ssss = VV CCCC2 + VV SSSS2 + VV HH2 OO + VV NN2 + VV OO2 mm3 mm 3 Dla paliw stałych i ciekłych: VV ssss = 22,71 CCrr 12 + HHrr 4 + SSrr 32 + NNrr 28 + WW cc ,79VV oo + 0,21(λλ 1)VV oo mm3 kkkk Dla paliw gazowych (posługujemy się odpowiednimi równaniami stechiometrycznymi): V sp % CO % CO % H % CH % C H % C H % CH %N m m = ,79V+0,21( λ-1) V o 3

20 WARTOŚĆ OPAŁOWA Do przybliżonych obliczeń WARTOŚCI OPAŁOWEJ (paliwa stałe) służy 1. wzór Dulonga: QQ ww = 32800CC rr HH rr OOrr SSrr 2500(WW cc + 9HH rr ) kkkk kkkk 2. wzór VDI QQ ww = 33900CC rr HH rr OOrr SSrr 2500(WW cc + 9HH rr ) kkkk kkkk dla paliw gazowych: QQ ww = %CCCC %HH %CCCC %CC 2HH %CC 2HH %CC 2HH kkkk mm 3 Najdokładniejsze wyniki można uzyskać przez doświadczalne wyznaczenie ciepła spalania w tzw. BOMBIE KALORYMETRYCZNEJ.

21 TEMPERATURA SPALANIA Jeżeli założymy, że całe ciepło zawarte w paliwie zostało wydzielone i nic z tego ciepła nie odpłynęło w postaci ciepła promieniowania. W tych warunkach osiągnięta temperatura nazywa się TEMPERATURĄ SPALANIA. Rozróżnia się: Kalorymetryczną temperaturę spalania najwyższa temperatura spalin powstałych w wyniku adiabatycznego i izobarycznego spalania paliwa z teoretyczną ilością powietrza. Spalanie musi być zupełne i całkowite, Rodzaj paliwa Kalorymetryczna temperatura spalania o C w. kamienny 2020 koks 2300 gaz koksowniczy 2100 gaz ziemny 2040 gaz wielkopiecowy 1475

22 TEMPERATURA SPALANIA Temperatura teoretyczna (początkową) - najwyższa temperatura spalin powstałych w wyniku adiabatycznego i izobarycznego spalania paliwa z rzeczywistym nadmiarem powietrza, tt = QQ ww CC pp (1 + λλvv tt ) + tt OO [dddddd] Temperatura rzeczywista (temp. płomienia) temperatura w danym miejscu i czasie (x, y, z i τ). Uwzględnia wypromieniowanie ciepła do przestrzeni roboczej paleniska. tt = nn QQ ww (1 εε) CC pp (1 + λλvv tt ) + tt OO [dddddd] gdzie: t o temperatura otoczenia, η sprawność paleniska, ε współczynnik promieniowania,

23 KONTROLA SPALANIA Służy określeniu energetycznych i ekonomicznych efektów procesu spalania oraz określeniu wielkości strat występujących w procesie spalania. Wykonuje się ją w oparciu o analizę składu paliwa i składu produktów spalania spalin. Rozróżnia się następujące straty: Niecałkowitego spalania, Niezupełnego spalania, Straty kominowe. Jest to największa pozycja wśród strat ciepła. Zależą od temperatury spalin odlotowych, od ich ilości oraz od współczynnika nadmiaru powietrza (wzrasta z nadmiarem powietrza, maleje ze wzrostem zawartości CO 2 ) gdzie: C NC niespalony węgiel pierwiastkowy (sadza), [CO] % objętościowy CO w spalinach, C sp średnie ciepło właściwe spalin, t k temperatura w kominie, t o temperatura otoczenia,

24 ODNAWIALNE I NIEKONWENCJONALNE ŹRÓDŁA ENERGII

25 ODNAWIALNE ŹRÓDŁA ENERGII Czyli nie podgalające zużyciu, np.: promieniowanie słoneczne, wiatry, biomasa, woda w postaci fal, pływów, spływu rzek, energia geotermiczna.

26 Do celów energetycznych wykorzystuje się najczęściej: drewno o niskiej jakości technologicznej oraz odpadowe, odchody zwierząt, osady ściekowe słomę, makuchy i inne odpady produkcji rolniczej, wodorosty uprawiane specjalnie w celach energetycznych, odpady organiczne np. wysłodki buraczane, łodygi kukurydzy, trawy, lucerny, oleje roślinne i tłuszcze zwierzęce.

27 REAKTORY TERMICZNE W INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ piece; suszarnie; autoklawy Dawniej wykorzystywano konwencjonalne źródła energii cieplnej paliwa stałe, ciekłe i gazowe. Obecnie wykorzystywane są również inne źródła ciepła: rezystancyjne, laserowe, słoneczne, plazmowe, detonacyjne, łuk elektryczny, mikrofale,

28 PIECE Cechą wspólną reaktorów jest to, że potrzebują chemicznych źródeł energii (spalanie paliw) - przekazywanie ciepła za pośrednictwem spalin. Wielkość pieca zależy od tego co jest wypalane, badane, tak aby pole temperaturowe było odpowiednio szerokie.

29 CERAMICZNY PIEC OBROTOWY Wielkość pieca zależy od metody przygotowania wsadu, ma m przy metodzie suchej przygotowania wsadu i m przy metodzie mokrej. Ma około 2,5-3,5m średnicy i nachylony jest do poziomu po kątem 2-5 tak, że podczas jego obrotów (około 2-5 na minutę) materiał przesuwał się stopniowo od zasypu do wylotu znajdującego się przy niżej położonym końcu. Surowce przesuwają się zwykle z taką szybkością, że cały proces trwa 2-3 godziny.

30 CERAMICZNY PIEC OBROTOWY Piece obrotowe w Polsce opalane są głównie pyłem węglowym przygotowanym z miału węglowego wysuszonego i zmielonego w specjalnych młynach. Gorące spaliny przemieszczają się wzdłuż pieca i ochładzają się, nagrzewając przesuwający się w przeciwną stronę wsad. Najwyższą temperaturę osiąga się w najniższej części pieca. I strefa suszenia obejmuje około 24% długości pieca. Temperatura 100 C. II strefa podgrzewania obejmuje około 40% długości pieca ulega ogrzaniu do ok. 700 C. W strefie tej odbywa się także rozkład materiałów ilastych ( C) przebiegający z wydzieleniem wody związanej chemicznie. Temperatura ok. 700 C powoduje endotermiczny rozkład węglanu wapniowego z jednoczesnym powstaniem związków tlenku wapnia z powstałymi przy rozpadzie gliny tlenkami kwasowymi.

31 CERAMICZNY PIEC OBROTOWY III strefa rozkładu węglanów obejmująca 28-30% długości pieca i zwanej często strefą kalcynacji. Koniec strefy kalcynacji przypada na temperaturę materiału nieco ponad 1200 C, w której zaczyna pojawiać się faza ciekła. Od tego momentu zaczyna się faza spiekania. Pojawienie się fazy ciekłej powoduje szybką reakcję pozostałego tlenku wapnia (CaO) i szybkie ukształtowanie się ostatecznego składu klinkieru. IV strefa spiekania jest krótka i obejmuje zaledwie 9-10% długości pieca. W jej obrębie temperatura najpierw wzrasta z 1250 C do 1450 C, a następnie maleje do 1200 C. Ze strefy spiekania klinkier o temperaturze C przechodzi do urządzeń chłodzących, dzięki którym jego temperatura zostaje obniżona do ok. 100 C.

32 WANNA SZKLARSKA Piec do wytopu szkła wykorzystywany w hutach szkła, w którym pod wpływem ogrzewania do temperatury topnienia, w obecności topników (i ewentualnie pigmentów przy produkcji szkła barwionego) następuje stopienie surowców i uzyskanie płynnej masy szklarskiej.

33 WANNA SZKLARSKA W palnikach wanny szklarskiej spalane jest w ciągu godziny m 3 gazu ziemnego, zapotrzebowanie roczne domu dwurodzinnego, aby w temperaturze ok C wytworzyć jednorodną masę szklaną. W części topliwej pieca o szerokości ok. 12 m i długości 60 m znajduje się do ton stopionego szkła. W piecu tym masa szklana przepływa przez różne strefy. Pierwszą z nich jest strefa topienia, gdzie odbywa się topienie zestawu. W strefie klarowania następuje proces klarowania szkła, to znaczy usuwania pęcherzy gazowych znajdujących się w masie szklanej. Na końcu szkło przechodzi przez strefę studzenia lub także kondycjonowania (ujednorodniania), w której masa szklana jest studzona do temperatury wymaganej dla procesu formowania (kondycjonowanie termiczne).

34 KLASYFIKACJA SUSZARNII NATURALNE SZTUCZNE O PRACY CIĄGŁEJ O PRACY OKRESOWEJ OBROTOWE KONWEJEROWE TUNELOWE KOMOROWE DO SUROWCÓW DO PÓŁFABRYKATÓW OGRZEWANE SPALINAMI OGRZEWANE GORĄCYM POWIETRZEM OGRZEWANE ELEKTRYCZNIE

35 SUSZARNIE NATURALNE rzadko stosowane, głównie w manufakturze ceramicznej proces suszenia bardzo długi SUSZARNIE PÓŁSZTUCZNE hale produkcyjne, wyroby stawia się w sąsiedztwie reaktorów grzejnych. Temperatura nie przekracza 35 o C, wilgotność względna jest zwykle duża. Suszenie zachodzi zwykle powoli.

36 SUSZARNIE SZTUCZNE KOMOROWE pracują w sposób okresowy, są to zamknięte przestrzenie, więc można w nich regulować warunki suszenia wg założonych warunków technologicznych. Mogą być zasilane gorącym powietrzem, spalinami, mogą mieć grzejniki parowe i wodne.

37 SUSZARNIE SZTUCZNE KOMOROWE typu Kellera, typu Dannenberga suszarnia cyrkulacyjna, typu Szemetyłły suszarnia recyrkulacyjna wymuszony przepływ medium suszącego, W tym przypadku medium suszące jest w ruchu a wyroby w spoczynku.

38 SUSZARNIE O PRACY CIĄGŁEJ - TUNELOWE W suszarni tunelowej materiał suszony ułożony jest na wózkach i w czasie cyklu suszenia stopniowo przesuwa się przez suszarnię. Wyroby przechodzą odpowiednio strefę wilgotnego powietrza, prawie bez utraty wody, w dalszej części, w miarę podwyższenia temperatury powietrza, następuje powiększanie ilości oddawanej wody. W ten sposób zachodzi samoregulacja procesu suszenia, charakterystyczna dla suszarni przeciwprądowych. Suszarnie o bardzo szerokim zastosowaniu.

39 SUSZARNIE O PRACY CIĄGŁEJ - KONWEJEROWE Zwane łańcuchowymi, szafkowymi lub szalkowymi. Suszenie półfabrykatów w ceramice szlachetnej, budowlanej, rur kamionkowych. Skonstruowane są jako komory, w których wędrują dwa równoległe łańcuchy bez końca, do łańcuchów tych podwiesza się półki, na których unoszone są wyroby.

40 SUSZARNIE O PRACY CIĄGŁEJ - BĘBNOWE Przeznaczone do suszenia wyrobów sypkich (piasek, glina, wapień, kreda), mogą działać współprądowo i przeciwprądowo. W celu wywołania mieszania wsadu i zwiększenia powierzchni jego kontaktu z gazami suszącymi, w bębnie (d=1-3m) znajdują się różnego typu półki i przegrody.

41 SUSZARNIE ROZPYŁOWE Przeznaczone są do granulowania mas ceramicznych, służących do formowania wyrobów np. płytek ceramicznych. Zapewniają, przy dobrze dobranych parametrach suszenia stałość wielkości granul, oraz stałość ich wilgotności i temperatury. Rozpylana gęstwa powinna mieć jak najmniejszą wilgotność, wtedy wydajność suszarni jest duża, zwykle gęstwa jest sztucznie upłynniana. Rozpylanie gęstwy odbywa się za pomocą: 1) Rozpylacza dyskowego (wirujące talerze) 2) Rozpylacza dyszowego (ciśnieniowego) 3) Rozpylacza pneumatycznego (dwustrumieniowego) 4) Rozpylacza odśrodkowego 5) Rozpylacza ultradźwiękowego Rozpylona na krople gęstwa wpada w strumień medium suszącego o bardzo wysokiej temperaturze ( 550 o C), tam krople są suszone i opadają do zbiornika. Uzyskuje się granulaty o średnicach od µm.

42 SUSZARNIE ROZPYŁOWE

43 MIKROFALE Mikrofale rodzaj promieniowania elektromagnetycznego o długości fali pomiędzy podczerwienią i falami ultrakrótkimi, zaliczane są do fal radiowych. λ = ,1 m Istnienie fal elektromagnetycznych, którymi są też mikrofale, przewidział jako wniosek z równań odkrytych przez siebie James Clerk Maxwell w 1864 roku. Doświadczenia, przeprowadzone przez H. Hertza, pokazują istnienie fal elektromagnetycznych, wysyłane i odbierane w tych doświadczeniach fale były w zakresie UHF zaliczanym do mikrofal. Rozwój techniki i teorii mikrofal nastąpił dopiero w latach 30 XX w okresie prac nad radarami.

44 MIKROFALE Mikrofale wprawiają cząsteczki wody znajdujące się w nagrzewanym ciele w drgania rotacyjne. Energia drgających cząsteczek wody, w wyniku silnego tłumienia drgań rozprasza się i jest przekazywana cząsteczkom podgrzewanego ciała tym samym rośnie jego energia termiczna, a zatem i temperatura. Zjawisko to odkrył przypadkowo amerykański inżynier Percy Spencer podczas badań nad wytwarzaniem fal elektromagnetycznych stosowanych w urządzeniach radarowych. Sprzężenie częstości mikrofal z określonym ciężarem w materiale. ZASTOSOWANIE: mokra chemia, suszenie, spiekanie

45 GŁÓWNE CECHY MATERIAŁOWE, KTÓRE WPŁYWAJĄ NA PODGRZEWANIE PRZEZ MIKROFALE: 1) Jak silna jest absorpcja promieniowania mikrofalowego dla danego materiału. Przykładowo, woda ma bardzo dużą absorpcję, większą niż ceramika ale mniejszą niż metale. 2) Jak duże jest ciepło właściwe substancji. 3) Jakie jest przewodnictwo cieplne danego materiału. Talerza metalowego w ogóle nie powinno się umieszczać w mikrofalówce, gdyż metal ma ogromną koncentrację swobodnych nośników ładunku (elektronów), które mocno pochłaniają energię mikrofal i bardzo podgrzewają talerz. To może doprowadzić do iskrzenia czy pożaru wewnątrz urządzenia.

46 MIKROFALOWE SPIEKANIE CERAMIKI Stosowane są zwykle fale elektromagnetyczne o częstotliwości 2,45 GHz co odpowiada długości fali 122 mm. Z powodzeniem spiekane są takie materiały jak: BaTiO 3 ; Al 2 O 3 ; MgO czy B 4 C. Materiał Temperatura [ C] Głębokość wnikania Al 2 O ,9 m Al 2 O mm SiC mm SiC mm TiB ,5 mm ZrO m ZrO mm Im większa głębokość wnikania tym materiał jest bardziej transparentny dla mikrofal. Głębokość wnikania maleje wraz ze wzrostem temperatury. Spiekanie Al 2 O 3 prowadzi się w temperaturze 950 C/1h; częstotliwość mikrofal 28 GHz.

47 SPIEKANIE MIKROFALOWE microwave sintering mniejszy nakład energii, intensyfikacja procesów dyfuzyjnych transportu masy, redukcja czasu spiekania; szybszy przepływ ciepła, generalnie spieki posiadają wyższą gęstość i właściwy rozkład wielkości ziaren oraz charakteryzują się lepszymi fizykochemicznymi właściwościami,

48 ŁUK ELEKTRYCZNY Ciągłe wyładowanie elektryczne zazwyczaj w gazie pod ciśnieniem normalnym (atmosferycznym) lub wyższym. Cechą charakterystyczną jest bardzo mały wewnętrzny opór elektryczny. Wyładowanie zachodzi pomiędzy dwiema elektrodami z materiału przewodzącego prąd elektryczny lub między stykami łącznika elektrycznego mechanizmowego w trakcie wyłączania prądu elektrycznego. Łuk elektryczny ma szerokie zastosowanie w technice, stosowany jest do wytwarzania światła w lampach łukowych. Używa się go w syntezie chemicznej i przy spawaniu elektrycznym, w hutniczych piecach łukowych.

49 Piec łukowy piec elektryczny, w którym wsad nagrzewany jest łukiem elektrycznym osiągającym temperaturę do kilkunastu tysięcy stopni Celsjusza, co umożliwia nagrzewanie roztapianego wsadu do temperatur od 1400 do 2000 C. Rozróżnia się: piece łukowe pośrednie w których łuk płonie ponad wsadem między elektrodami, ciepło zaś przenosi się do wsadu przez promieniowanie (bezpośrednio lub odbite od ścian komory), piece łukowe bezpośrednie w których łuk płonie między elektrodami, a wsadem. Piece łukowe stosuje się do produkcji karbidu, w hutnictwie do wytwarzania między innymi dodatków stopowych trudnotopliwych i wymagających wysokiej temperatury do redukcji rudy metali.

50 PLAZMA W obszarze łuku elektrycznego gaz jest silnie zjonizowany, stanowi plazmę. Jej temperatura zależy od natężenia prądu, rodzaju elektrod, rodzaju i ciśnienia gazu. Pod ciśnieniem atmosferycznym i przy przepływie prądu 1 A wynosi ona K (ok C). Plazma zjonizowana materia o stanie skupienia przypominającym gaz, w którym znaczna część cząstek jest naładowana elektrycznie. Mimo że plazma zawiera swobodne cząstki naładowane, to w skali makroskopowej jest elektrycznie obojętna.

51 SPARK PLAZMA SINTERING Pierwsze laboratoryjne próby wykonania urządzenia do spiekania wykorzystującego impulsy energii elektrycznej odbyły się w 1933 r. w Stanach Zjednoczonych. W 1950 r. prace nad metodą o nazwie Spark Sintering (co w luźnym tłumaczeniu można rozumieć jako spiekanie za pomocą wyładowań prądowych) rozpoczął Lenel. Następnie w latach wiodące osiągnięcia dotyczące rozwoju tej technologii uzyskali naukowcy z Lockheed Missile and Space Company w Californii oraz Inoue z Japonii. Aparatura drugiej generacji powstała pod koniec lat 80 i na początku lat 90. W tamtym czasie metoda nazywana była Plasma Activated Sintering (PAS) i umożliwiała stosowanie maksymalnej siły nacisku prasowania 50 kn i generatora prądu stałego dającego natężenie prądu 800 A. Obecnie mamy do czynienia z trzecią generacją urządzeń do SPS oferujących generatory prądu stałego o natężeniu do A i sile nacisku prasowania do kn.

52 SPARK PLAZMA SINTERING Metoda bazuje na prawie Joule a, które mówi, że ilość ciepła wydzielanego w czasie przepływu prądu elektrycznego przez przewodnik elektryczny (czyli również naszą konsolidowaną próbkę znajdującą się w aparaturze SPS), jest wprost proporcjonalna do iloczynu oporu elektrycznego przewodnika, kwadratu natężenia prądu i czasu jego przepływu. Prawo to wyraża zasadę zachowania energii dla przypadku, gdy energia elektryczna jest zamieniana na energię cieplną. W metodzie SPS efekt ten jest wykorzystywany zamiany energii elektrycznej w energię wewnętrzną. Temperatura punktowo pomiędzy cząstkami proszku może sięgać wartości nawet C, powodując miejscowe ich nadtapianie i intensyfikację międzycząsteczkowego łączenia.

53 SPARK PLAZMA SINTERING Jeden z proponowanych opisów mechanizmów procesu spiekania zachodzących pomiędzy cząstkami w trakcie stosowania metody SPS dzieli proces na następujące etapy: 1) aktywacja i oczyszczenie powierzchni cząstek proszków; 2) formowanie szyjek pomiędzy cząstkami; 3) wzrost powstałych szyjek ; 4) zagęszczenie materiału w wyniku jego plastycznej deformacji.

54 SPARK PLAZMA SINTERING - ZALETY W metodzie SPS tlenkowe powierzchnie cząstek proszków są znacznie łatwiej redukowane (głównie przez występującą punktowo wysoką temperaturę, która powoduje ich odparowanie). Również szybciej (tzn. w niższych temperaturach) następuje zjawisko aktywacji spiekania w porównaniu z tradycyjnymi procesami spiekania. Pozwala to m.in. na przeprowadzanie procesu w temperaturze niższej o 200 do 500 C niż dla klasycznych metod. Te wszystkie wyżej wymienione efekty pozwalają ponadto na bardzo szybkie przeprowadzenie całego procesu. Nagrzewanie materiału wraz z jego izotermicznym spiekaniem dla tej metody zawiera się zwykle w zakresie od 5 do 20 minut. Na dodatek w procesie SPS można stosować znaczne szybkości nagrzewania materiału sięgające nawet 1000 C/min. Pozwala to na spiekanie nanokrystalicznych proszków bez efektu rozrostu ziaren.

55 DETONACJA Wybuch (fala reakcji chemicznych) rozprzestrzeniający się w materiale wybuchowym z prędkością ponaddźwiękową, a najczęściej z wysoką prędkością hiperdźwiękową (z reguły wynosi kilka km/s do max. 10 km/s ; w gazach 1,8-3 km/s, w ciałach stałych 4-10,3 km/s), powodujący powstanie w otaczającym go ośrodku fali uderzeniowej. Na jej czole występuje bardzo wysokie ciśnienie (do ok. 50 GPa) i temperatura (do ok C). Gdy wybuch przebiega z prędkością powyżej 400 m/s, ale poniżej maksymalnej prędkości możliwej dla danego materiału wybuchowego, wówczas nazywa się go eksplozją, natomiast gdy wybuch przebiega z prędkością poniżej 400 m/s wówczas nazywa się go deflagracją.

56 LASER Podstawą działania lasera jest emisja wymuszona kwantów energii w ośrodku wzmacniającym (nazywanym również substancją laserującą lub ośrodkiem optycznie czynnym). Działanie lasera polega na wzbudzeniu ośrodka optycznie czynnego a następnie wyzwoleniu energii w postaci kwantu promieniowania spójnego. Promieniowanie laserowe charakteryzuje się wysokim stopniem spójności, monochromatyczności i ukierunkowania a kąt rozbieżności wiązki zwykle nie przekracza kilku miliradianów. Oprócz możliwości skupienia całej energii promieniowania lasera w nadzwyczaj małym paśmie widma i małym kącie bryłowym, można ten sam efekt uzyskać w odniesieniu do czasu. Istotną cecha lasera jest również to, że w większości jego aplikacji można uzyskać generację promieniowania tylko o określonym stanie polaryzacji. LASER pochodzi od pierwszych liter angielskiej nazwy: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Światła Wzmocnienie poprzez Wymuszoną Emisję Promieniowania

57 LASER Ogrzewanie przez absorpcję promieniowania laserowego σσtt = 2 ππ WW SS ττ 1 KKKK gdzie: S powierzchnia opromieniowania [cm 2 ] W energia promieniowania [J] K przewodność cieplna [W/cm K] C energia właściwa [J/cm 3 K] ZASTOSOWANIE: Rapid Prototyping

58 OGRZEWANIE OPOROWE Energia elektryczna jest najbardziej wygodnym źródłem energii cieplnej w piecach. Zapewnia całkowitą czystość środowiska, dokładną regulację obróbki cieplnej i pełną automatyzację wypalania. Ogrzewanie oporowe opiera się na zjawisku wydzielania ciepła przy przepływie prądu przez przewodnik lub półprzewodnik (PRAWO JOULE A-LENZA). Ilość ciepła wydzielanego w czasie przepływu prądu elektrycznego przez przewodnik elektryczny jest wprost proporcjonalna do iloczynu oporu elektrycznego przewodnika, kwadratu natężenia prądu i czasu jego przepływu. QQ = RRII 2 tt

59 OGRZEWANIE OPOROWE Prawo to jest wyrazem zasady zachowania energii w odniesieniu do przepływu prądu. Wynika z niego, że energia prądu elektrycznego zamienia się w energię wewnętrzną przewodnika. Moc prądu UU = IIII PP = UUUU Zatem: PP = RRII 2 Ilość wydzielonego ciepła jest równa pracy wykonanej przez prąd elektryczny w czasie t, stąd: QQ = WW = PPPP = RRII 2 tt

60 PIECE OPOROWE Materiały, z których wykonywane są elementy grzejne w piecach oporowych: Stopy metaliczne: BAILDONAL, CHRONIX, NIKROTHAL (70-80%Ni+30-20%Cr+5%Al) max. temp. pracy 1200 o C austenityczne, bezżelazowe CRONIFER, NIKROTHAL (Ni-Cr-Fe; Fe-Cr-Ni) max. temp. pracy o C austenityczne, żelazowe KHANTAL, ALUCHROM, BAILDONAL (Fe-Cr-Al-Si) max. temp. pracy o C ferrytyczne

61 PIECE OPOROWE Materiały, z których wykonywane są elementy grzejne w piecach oporowych: Metale wysokotopiące się: WOLFRAM max. temp. pracy 2500 o C MOLIBDEN max. temp. pracy 1900 o C TANTAL max. temp. pracy 2400 o C PLATYNA max. temp. pracy 1600 o C Atmosfera ochronna pracy (próżnia, argon). Elementy metalowe w wysokich temperaturach stają się kruche, dlatego trzeba je podpierać na całej długości lub nawijać na kształtki ceramiczne.

62 PIECE OPOROWE Materiały, z których wykonywane są elementy grzejne w piecach oporowych: Elementy wysokotemperaturowe niemetalowe: SILIT, GLOBAR, TECORUNDUM SiC (karborund) temp. pracy o C, mogą pracować w powietrzu SUPERKHANTAL, MOSILIT MoSi 2, temp. pracy o C nadają się do pracy w powietrzu CHROMIAN LANTANU, DWUTLENEK CYRKONU LaCrO 3, temp. pracy o C; ZrO 2, temp. pracy 2000 o C również nadają się do pracy w powietrzu

63 PIECE OPOROWE Materiały, z których wykonywane są elementy grzejne w piecach oporowych: Elementy wysokotemperaturowe niemetalowe: WĘGLIK NIOBU max. temp. pracy o C, WĘGLIK NIOBU+10% TiC max. temp. pracy o C WĘGIEL ELEKTRODOWY; GRAFIT max. temp. pracy o C Mogą pracować tylko w atmosferze ochronnej: próżnia, argon, hel.

64 PIECE OPOROWE Ceramiczne elementy grzejne zasilane są przez transformatory, bowiem ze uwagi na ich małą oporność elektryczną płyną przez nie duże prądy rzędu kilkuset amperów, przy napięciach od kilku do kilkudziesięciu woltów. Ceramiczne elementy rzadko umieszcza się na podpórkach ale w sposób uniemożliwiający kontakt z wyłożeniem w piecu (materiałami ogniotrwałymi), ze względu na możliwość reakcji.