POLITECHNIKA POZNAŃSKA

WYDZIAŁ TECHNOLOGII CHEMICZNEJ

INSTYTUT TECHNOLOGII I INŻYNIERII CHEMICZNEJ

ZAKŁAD INŻYNIERII I APARATURY CHEMICZNEJ

TRANSPORT

CIECZY

Prezentacja wykonana w ramach zajęć

Maszynoznawstwo i Aparatura Przemysłu Chemicznego

Agata Staśkiewicz

Anna Szwemer

studia dzienne inżynierskie 2010/2011

na kierunku Technologia Chemiczna

Spis treści

1. Podstawowe pojęcia:

Przepływ (transport) cieczy i ciekłych układów niejednorodnych związany jest z procesami technologicznymi takimi jak np.:

• doprowadzenie surowców i półproduktów

• odbiór produktów gotowych

• wymuszenie ruchu cieczy w aparatach procesowych.

Urządzeniami służącymi do przesyłania cieczy rzeczywistych są pompy, które dzielą się w zależności od sposobu przekazywania energii do cieczy i wymuszenia jej ruchu.

2. Podział pomp:

Ogólnie pompy dzieli się na:

• wyporowe

• wirowe

• strumieniowe

• próżniowe.

3. Pompy wyporowe:

W pompach wyporowych na ciecz zamkniętą w cylindrze (korpusie) pompy wywierany jest nacisk organu roboczego, tłoka lub rotora, w wyniku czego ciecz zwiększa energię ciśnienia zużywaną następnie na drodze przepływu. Ten sposób przekazywania energii do cieczy wymaga oddzielenia przestrzeni ssawnej od tłocznej, co możliwe jest dzięki minimum jednej parze zaworów: ssawnego i tłocznego lub stosowania odpowiedniej konstrukcji tłoka-rotora w pompach rotacyjnych.

Pompy wyporowe dzielone są na:

• O ruchu posuwisto-zwrotnym tłoka, nurnika lub membrany:

- tłokowe

-nurnikowe

-membranowe

• O ruchu obrotowym organu roboczego - rotacyjne:

Pompy tłokowe

Mają cylinder z umieszczonym wewnątrz tłokiem pojedynczym lub podwójnym, który napędzany jest silnikiem elektrycznym, pneumatycznie za pomocą pary/ powietrza sprężonego lub hydraulicznie.

Zasysanie cieczy do cylindra i jej wytłaczanie:

• w pompach jednostronnego działania odbywa się w oddzielnych suwach.

Składa się z cylindra (1), w której porusza się tłok (2). Komora pompy jest oddzielona od części ssawnej zaworem ssawnym (3) umożliwiającym przepływ płynu od części ssawnej do komory pompy, a blokującym przepływ w odwrotnym kierunku. Podobnie zawór tłoczny (3) umożliwia jednokierunkowy przepływ z komory pompy do części tłocznej. Tłok wykonuje ruchy posuwisto-zwrotne na przemian w lewo i w prawo. Podczas ruch ssawnego, w komorze spada ciśnienie, co powoduje samoczynne zamknięcie zaworu tłocznego (3). Zmniejszenie w komorze ciśnienia otwiera równocześnie zawór ssawny (3) i umożliwia przepływ płynu do komory pompy. Podczas ruchu tłocznego, zawór ssawny zamyka się, a otwiera się zawór tłoczny, dalej płyn jest transportowane do powietrznika tłocznego (7) i przewodu tłocznego (8). Wakumetr służy do pomiaru podciśnienia.

• w pompach dwustronnego działania, gdzie odbywa się to jednocześnie w obu suwach

W pompach dwustronnego działania tłok rozdziela komorę pompy na dwie części. Ruch tłoka zwiększający ciśnienie w jednej części, zmniejsza równocześnie ciśnienie w drugiej.

Różnica ciśnień w pompach tłokowych nie powinna przekraczać 14MPa, aby zapobiegać możliwym odchyleniom linii tłoka, nieszczelnościom i szybkiemu zużyciu pompy. Duże różnice ciśnienia mogą być przenoszone przez

Pompy nurnikowe, gdzie tłokiem jest gładki cylinder przymocowany do drąga tłokowego

Pompa nurnikowa, ssie ciecz pompowaną podczas ruchu nurnika w jednym kierunku, tłoczy zaś podczas ruchu w obu kierunkach.

Podczas ruchu nurnika(1) w prawo zasysa przez zawór 2 ciecz do komory A, a jednocześnie nurnik wytłacza ciecz z komory różnicowej B do przewodu tłocznego 3 i powietrznika 4, który utrzymuje stałe ciśnienie w układzie. Przy ruchu w lewo przetłacza on ciecz z komory A do powietrznika 4, ale tylko część tej cieczy wpływa do przewodu tłocznego, reszta zaś uzupełnia zawartość cieczy w komorze B, której pojemność zwiększa się przy ruchu nurnika w lewo.

Pompy nurnikowe stosowane do ciśnień powyżej 70MPa mają zwykle jednostronne działanie. Klasyfikuje się je również według liczby cylindrów jako pojedyncze i podwójne oraz ze względu na napęd jako parowe.

Pompy membranowe są specjalnym typem pomp tłokowych w których ruch cieczy następuje w wyniku drgań membrany w postaci płaskiego dysku lub przewodu rurowego. Drgania membrany wywoływane są mechanicznie, pneumatycznie lub hydraulicznie. Tego rodzaju pompy, jako hermetyczne z zaworami pierścieniowymi, są zwykle stosowane jako dozujące i specjalnego przeznaczenia. Pompy te ze względu na odizolowanie cieczy procesowej od organu roboczego są odpowiednie do precyzyjnego dozowania cieczy nawet rzędu mililitrów na godzinę, jak również do przetłaczania cieczy:

• niebezpiecznych

• o wysokich temperaturach

• wysokolepkich

• zawiesin

• szlamów

Membrana (3) napędzana sprężyną (1) na przemian powiększa lub pomniejsza objętość komory roboczej. Samoczynnie zamykające lub otwierające się zawory płytkowe pozwalają przepompowywać ciecz z rurociągu ssawnego do tłocznego.

Napęd hydrauliczny zapewnia ciśnienie tłoczenia do około 350MPa.

Pompy rotacyjne

W pompach rotacyjnych kształt tłoka (rotora) jak i ruch cieczy w korpusie pompy jest obrotowy. Ruch ten, w porównaniu z posuwisto- zwrotnym, jest bardziej wyrównany, nie występują straty energii związane z przyspieszeniem cieczy i nie ma konieczności instalowania stabilizatorów. Pompy rotacyjne poprzez ruch obrotowy rotora pobierają stałą objętość cieczy po stronie ssawnej i przenoszą ją w przestrzeni pomiędzy rotorem a statorem na stronę tłoczną, przeciw ciśnieniu w przestrzeni wyładowania. Stosowane są do przetłaczania płynów nienewtonowskich, o właściwościach zarówno smarujących, jak i ścierających.

Rotor stanowić mogą:

• koła zębate (2)

Najczęściej spotyka się pompę z dwoma kołami zębatymi, z których jedno czynne obraca drugie bierne. Ciecz pompowana wpływa z przewodu ssawnego w kolejne wręby międzyzębne obu kół i jest przenoszona w nich do obszaru tłocznego.

• krzywki różnych rodzajów

Służą do pompowania cieczy bez zanieczyszczeń, najczęściej lepkich, np. olejów. stosowane są też do przenoszenia gazów, jako dmuchawy i pompy próżniowe.

• bębny (wirniki) z ruchomymi bądź nieruchomymi łopatkami,

Zasada działania pompy rotacyjnej z łopatkami przesuwnymi jest następująca: gdy wirnik (1), osadzony w kadłubie pompy (2), obraca się, siła odśrodkowa powoduje stałe przyleganie łopatek 3 do powierzchni wewnętrznej kadłuba; łopatki te wykonują więc ruchy posuwisto-zwrotne ku osi obrotu wirnika i od niej. Ponieważ objętość przestrzeni pomiędzy sąsiednimi łopatkami ulega cyklicznym zmianom (wzrasta po stronie ssawnej, a maleje po stronie tłocznej), następuje zasysanie cieczy z obszaru ssawnego (4) dawkami i przenoszenie do obszaru tłocznego (5).

Pompy rotacyjne z podwójnym rotorem stosowane są do przetłaczania cieczy o wysokiej lepkości.

Pompy ślimakowe, zwane również śrubowymi zawierają jeden, dwa lub trzy ślimaki. W pompach z pojedynczym ślimakiem ślimak obraca się w statorze w kształcie linii śrubowej o podwójnym skoku. Stator wykonany jest z elastycznego materiału bądź jest nim wykładany. Tego typu pompy stosuje się do przetłaczania lepkich cieczy również z niezbyt dużą zawartością cząstek ciał stałych. Pompy zawierające podwójne lub potrójne ślimaki używane są w przypadku cieczy o właściwościach słabo smarujących, erozyjnych i korozyjnych, zapewniając mało pulsacyjny przepływ. Pompy śrubowe wytwarzają ciśnienie nie większe niż 21MPa.

Elementami roboczymi są ślimak i zazębiające się z nim koło ślimakowe. Ślimak (1) obraca się w kanale (7) przesuwając ciecz wpływającą między jego zwoje, z przestrzeni ssawnej (3), w lewo ku przestrzeni tłocznej (6). Obrót ślimaka powoduje jednocześnie powolne obracanie się koła ślimakowego (2) (o jeden ząb na jeden obrót ślimaka), którego zęby dzielą kanał (7) na obszar ssania i tłoczenia i przeciwdziałają ruchowi powrotnemu cieczy.

Do przetłaczania wody czy paliw ciekłych, czyli cieczy niesmarujących użytkowane są pompy krzywkowe z oddzielnym napędem krzywek, by ograniczyć kontakt pomiędzy rotorami.

Wszystkie rodzaje pomp rotacyjnych odznaczają się stosunkowo wysoką sprawnością rzędu 70-95% i są preferowane wtedy, gdy decydujący jest niski koszt energii. Ich główną wadą jest natomiast szybkie zużywanie się ich niektórych elementów.

Pompy perystaltyczne:

Stosuje się je do przetłaczania wysokolepkich cieczy takich jak np.:

• kleje

• tłuszcze

• koloidy

a także do zawiesin przy użyciu odpowiedniego rodzaju elestycznych rur.

Głowica pompy składa się z dwóch części: trój rolkowego wirnika (1) i obudowy (4). Wąż (3) umieszczony jest między rolkami wirnika a obudową. Rolki (2) umieszczone w wirniku obracają się wokół własnej osi naciskając wąż, co powoduje przemieszczanie cieczy. Wąż za wałkiem odzyskuje swój kształt, tworzy się próżnia i zasysana jest nowa porcja cieczy. Porcja cieczy przemieszczana jest między rolkami.

4. Pompy wirowe:

W pompach wirowych organem roboczym jest wirnik, który zanurzony jest w cieczy zamkniętej w korpusie pompy wywiera na nią nacisk i jednocześnie wprawia ją w ruch obrotowy. Charakterystyczną cechą pomp wirowych jest dużo większa wydajność niż pomp wyporowych

Pompy wirowe dzielimy ze względu na kierunek przepływu cieczy w obrębie wirnika, są to:

• odśrodkowe

• diagonalne

• osiowe

Pompy odśrodkowe:

Mają zwykle dwie tarcze, pomiędzy którymi umieszczone są łopatki proste lub wygięte do tyłu, w stosunku do kierunku obrotu.

Ciecz dopływa osiowo i wypływa do otworu środkowego tarczy (1). Korpus pompy (2) zawiera kanał wylotowy (5) i jest on zakończony króćcem, zwany dyfuzorem. W korpusie wypełnionym cieczą, łopatki obracającego się wirnika wywierają napór na ciecz i wprowadzają ją w ruch obrotowy. W wyniku działania siły odśrodkowej ciecz porusza się od środka do obwodu zewnętrznego wirnika. Zwiększa się zarówno prędkość jak i ciśnienie cieczy.

Pompy diagonalne, zasada ich działania jest niemal identyczna jak w pompach odśrodkowych. Różnią się sposobem dopływu cieczy, dopływa ona również osiowo do wirnika, ale pod kątem.

Pompy osiowe (śmigłowe), ciecz w nich przepływa przez wirnik równolegle do jego osi.

Przepływ cieczy odbywa się wzdłuż osi obrotu wirnika (1) umieszczonego w osiowym korpusie (2). Nad łopatkami wirnika, które mogą być stałe lub nastawne (o regulowanym nachyleniu), znajdują się kierownice wylotowe (5) odchylają one odpowiednio strumienie cieczy wytłaczane w górę przez wirnik.

Pompy śmigłowe pracują niemal wyłącznie w położeniu pionowym.

Pompy wielostopniowe stosowane są jeżeli wysokości podnoszenia są większe niż 50m. Zbudowane są z szeregowo osadzonych wirników na jednym, wspólnym wale. Ciecz przepływa kolejno przez każdy wirnik, gdzie zwiększa swoją energię niezbędną do przepływu.

Pompy samozasysające mają zdolność zasysania mieszaniny gaz-ciecz.

Posiadają króciec wlotowy i wylotowy cieczy powyżej osi pompy oraz przestrzeń separacyjną w korpusie (4), w której do rozdzielania cieczy i gazu wykorzystuje się różnice gęstości cieczy i gazu. Po separacji ciecz spływa kanałami bocznymi (1,5) z powrotem do pompy, gaz natomiast uchodzi do przewodu tłocznego (7).

Pompy hermetyczne stosowane są do transportu cieczy agresywnych chemicznie i toksycznych. Zamknięte są wraz z silnikiem napędowym w szczelnej obudowie. Wykonywane są jako wielostopniowe i samozasysające. Pompy te nie mogą pracować na sucho (bez obecności cieczy), gdyż grozi to przegrzaniem i zniszczeniem pompy. Również obecność zanieczyszczeń prowadzi do blokady pompy W takich przypadkach ciecze są filtrowane. Wysokość podnoszenia dochodzi do 300m.

5. Pompy strumieniowe:

Zasada ich działania opiera się na zjawisku Venturiego w rurze Venturiego, w której poprzez zmianę pola przekroju dla przepływu następuje zmiana energii płynu z energii ciśnienia na kinetyczną i odwrotnie.

Jako płyny robocze stosowane są najczęściej:

• woda

• para wodna

• powietrze

Pompy służące do zasysania płynów to ejektory, zaś do przetłaczania iniektory. Zasadniczym elementem pomp strumieniowych są dysze i dyfuzor.

Podczas przepływu z dyszy (1) czynnika roboczego jego prędkość liniowa wzrasta zaś ciśnienie maleje. W wyniku tego następuje zassanie płynu z przewodu (2) i wymieszanie obu czynnikow w komorze mieszania (4) , a następnie przepływ do dyfuzora (5). Mimo prostej konstrukcji i obsługi są one częściej stosowane jako aparaty procesowe niż jako samodzielne pompy ze względu na mała sprawność energetyczną.

6. Pompy specjalne:

Do specjalnych sposobów transportowania cieczy zalicza się:

• syfonowanie (lewarowanie)

• przetłaczanie

• podnoszenie powietrzne

Syfonowanie cieczy, korzysta się w nich z zasady równoważenia ciśnienia przez odpowiedniej wysokości słup cieczy podczas obniżania ciśnienia oraz ze zjawiska ciągłości strugi. Stosowane są do okresowego przetłaczania niewielkich objętości cieczy ze zbiorników nie mających urządzeń spustowych, cieczy agresywnych chemicznie i niebezpiecznych dla środowiska.

Obniżenie ciśnienia w trójniku (4) powoduje wzrost poziomu cieczy w przewodzie (3), aż do momentu ciągłego wypływu przewodem (6) do poziomu niższego.

Przetłaczarki cieczy, w nich korzysta się z działania ciśnienia gazu na powierzchnię zwierciadła cieczy.

Zbiornik (1) posiada dwa przewody:

- przewód odpływowy cieczy (4), zanurzony jest w niewielkiej odległości od dna oraz

- przewód powietrza sprężonego (3)

Powietrze sprężone wytłacza ciecz przewodem odpływowym, strumieniem zależnym od ciśnienia powietrza.

Podnośniki powietrzne, korzysta się w nich z zasady, zgodnie z którą podczas równoważenia tej samej wartości ciśnienia wysokość słupa cieczy o mniejszej gęstości jest większa. Stosowane są do przetłaczania cieczy zanieczyszczonych i wysoko korozyjnych.

Do przewodu podnośnika (6) zanurzonego w cieczy jest doprowadzany gaz bełkotką (7). Wytworzona mieszanina ciecz-gaz, w której ciecz stanowi fazę ciągłą ma gęstość mniejszą od gęstości gazu i wznosi się na wysokość separatora (5). Wysokość podnoszenia zależy tu od głębokości zanurzenia przewodu podnośnika (6) oraz od gęstości mieszaniny ciecz-gaz, która nie może przekraczać 0,6m.

7. Pompy próżniowe:

Stanowią specjalny rodzaj pomp, który wykorzystywany jest do usuwania gazów z przestrzeni opróżnianej, czyli do wytwarzania próżni. Gazy i pary mogą być usunięte z takiej przestrzeni, w której panujące ciśnienie równe jest bądź mniejsze od ciśnienia atmosferycznego. Dzieje się to na zasadzie zasysania, sprężania i wytłaczania gazów do atmosfery lub próżni wstępnej.

Cechą tych pomp jest to, że wraz z upływem czasu ich pracy spada ciśnienie przestrzeni opróżnianej, w wyniku czego wydajność pracy również maleje.

Pompy próżniowe pracować mogą na trzech zasadach:

• wzrost objętości pod tłokiem lub rotorem (jak w pompach wyporowych)

• porywanie cząsteczek gazu przez obracające się powierzchnie stałe

• porywanie cząsteczek gazu przez strumień cieczy lub gazów (oparów)

Do pomp próżniowych zaliczane są pompy:

• obrotowe

• molekularne

• strumieniowe ejekcyjne

• dyfuzyjne

Pompy obrotowe:

Zwane są również olejowymi, ponieważ części trące pompy pokrywane są bardzo cienką warstwą oleju, jak i sama pompa jest w oleju zanurzona ze względu na jego chłodzące działanie.

W pompach tych wielkość przestrzeni ssania ograniczają tzw. suwaki.

Najprostszym i zarazem najpopularniejszym przykładem jest pompa obrotowa olejowa z suwakiem na wirniku, w której wirnik w postaci bębna (2) z dwoma ruchomymi suwakami (łopatkami) (3) umieszczony jest wewnątrz statora (1). Podczas obrotu wirnika zgodnie z zaznaczonym kierunkiem, objętość obszaru oznaczonego na rysunku literą A wzrasta i gaz jest zasysany, jednocześnie przestrzeń C maleje i gaz jest wytłaczany na zewnątrz poprzez zawór zwrotny.

Wadą tego rodzaju pomp jest obecność par oleju w przestrzeni opróżnianej.

Pompy molekularne:

Działają na zasadzie porywania cząsteczek gazu, w ośrodkach, w których panuje niskie ciśnienie i droga jaką pokonywać będą cząsteczki jest długa. Pompy molekularne różnią się jedynie szczegółami wykonania kanałów i liczbą wirników.

Ich zaletą jest brak obecności w opróżnianej przez nie przestrzeni par i oparów, które są tam niepożądane. Wadą jest mała szybkość pompowania, w dużej mierze zależna od rodzaju pompowanego gazu.

Pompy strumieniowe ejekcyjne:

Działają w oparciu o zasysanie (porywanie) cząsteczek gazu z ośrodka opróżnianego przez strumień cieczy lub pary. Ze względu na swoje parametry pracy oraz to, że uzyskana dzięki nim próżnia ma bardzo wysokie ciśnienie, znalazły szerokie zastosowanie w takich procesach próżniowych jak np.:

• destylacja

• krystalizacja

• suszenie

Pompy dyfuzyjne:

Pracują w sposób podobny do pomp strumieniowych. Istotnym elementem ich budowy są dysze, które biorą bezpośredni udział w zasysaniu cząsteczek gazu za pomocą strumieni par rtęci lub różnego rodzaju olejów wytwarzanych specjalnie dla pomp próżniowych, najczęściej są to oleje silikonowe.

Stosuje się dwa rodzaje dysz:

• proste - w nich pary czynnika zasysanego nie zmieniają swojego kierunku ruchu

• parasolowate - w nich następuje zmiana kierunku ruchu par o 180^o

W pompie dyfuzyjnej olejowej najpierw wytworzony jest strumień pary poprzez podgrzanie oleju w zbiorniku, a następnie przepływa przez tzw. prowadnicę pary do dyszy (3). Po wypływie z niej porywa cząsteczki gazu, które dyfundują w próżni wstępnej. Kolejno, pary oleju skraplane są na ściankach chłodnicy, po których spływają uwalniając zarazem porwane cząsteczki do próżni.

W zależności od przeznaczenia tego rodzaju pomp oraz oczekiwanego ciśnienia końcowego próżni chłodzi się je wodą lub powietrzem albo ciekłym azotem.

8. Zasady doboru pompy:

Dobierające pompy należy brać pod uwagę:

• wymaganą wydajność

• wysokość podnoszenia

• właściwości fizykochemiczne przysyłanych układów

• właściwości procesu technologicznego

Charakterystyka przepływu H = f(Q), otrzymujemy w wyniku przeprowadzonego badania (próby) pompy. Zmieniając opory przepływu tłoczenia, najczęściej przez dławienie zasuwą przepływu w przewodzie tłocznym, zmieniamy tym samym wysokość podnoszenia H, w wyniku czego ulega zmianie wydajność pompy Q. Otrzymujemy w ten sposób zależność H = f(Q) zwaną krzywą dławienia.

Charakterystyka sprawności pompy η = f(Q), określa zmianę stosunku

efektywnej mocy, zużytej na zmianę parametrów pracy, do mocy pobieranej.

Charakterystyka poboru mocy pompy Pw = f(Q), odniesiona do wału, za

pomocą którego moc silnika napędowego jest przejmowana przez pompę o zmiennej wydajności.

Poszczególne wielkości są podane w jednostkach wymiarowych

• wydajność Q w m3/s lub w m3/h,

• wysokość podnoszenia H w m,

• sprawność pompy η w %,

• moc pompy Pw w kW

Przebieg krzywych charakterystycznych jest różny dla różnych rodzajów pomp.

---