Bélafiné Bakó Katalin
Az ár ellen – elektromágnessel
Vihar a homokórában
Képzeljük
magunk elé a telefonunk mellett álló 3 perces kis
homokóránkat, amint a homok békésen pereg le
a felsô részbõl az alsóba. Most pedig próbáljuk
meg ugyanezt elképzelni úgy, hogy a homok – mintha gáz
lenne – kitölti a homokóra egész térfogatát.
Más megközelítéssel azt is mondhatnánk,
hogy pusztító homokvihar tombol benne. Kissé bizarr
ötletnek tûnik, pedig megvalósítható és
nem is kell hozzá parafenomén egyének közremûködését
kérnünk. Csak a homokóra alját és tetejét
kell kissé kilyuggatnunk, s mondjuk levegôt kell belefújnunk
alulról a készülékbe. Mit fogunk érzékelni?
Kezdetben semmit. Kis áramlási sebességnél
a homokrétegen nem vehetô észre semmi változás.
Növeljük fokozatosan a levegô áramlási sebességét!
Bizonyos sebességnél a réteg teteje megemelkedik,
a homokréteg kiterjed. A sebesség további növelésekor
a homok szemcséi a réteg tetején mozgásba jönnek
és kis szökôkútszerû képzôdmények
alakulnak ki. Nagyobb sebességnél a mozgás átterjed
az egész rétegre – olyan, mintha az forrásban lenne,
mintha a levegô és a szilárd homokszemcsék egyetlen,
homogén fázist alkotnának, és a homok (gázszerûen)
kitölti az egész rendelkezésre álló térfogatot.
Vigyázat! Homokviharveszély!
A leírt jelenség a fluidizáció. Egy adott (elég nagy) sebességet elérve a levegô a szemcséket magával ragadja, s – hacsak a homokóra perforált teteje ezt meg nem akadályozza – a homokot elszállítja. Ezt nevezik "kihordás"-nak, s ha a homokóra helyett most hosszú csöveket veszünk, megvalósítottuk a pneumatikus szállítást is. De maradjunk a fluidizációnál!
Fluidizáció
Egyenesítsük ki a homokórát és nevezzük
most már reaktornak. A felsõ és alsó perforált
lemeznél lényeges, hogy a lyukak kisebbek legyenek, mint
a (homok)szemcsék. Levegô helyett valamilyen más gázt
vagy folyadékot is alkalmazhatunk áramló fluidumként.
Az így nyert fluidizációs vagy fluidágyas
reaktort az 1920-as évektôl kezdve az iparban igen sok
helyütt használják, mégpedig olyan folyamatok
megvalósításánál, ahol szilárd
szemcsék és gáz vagy folyadék egyidejû
jelenlétére van szükség. Nem is gondolnánk,
milyen sok mindennapi eszközünk, tárgyunk elõállítása
során van szükség ilyen mûveletre.
A legegyszerûbb ilyen eljárások egyike például a gabona szárítása levegôárammal. Vagy – hasonló módon – a konyhasó nedvességtartalmának csökkentése. Valamivel bonyolultabb már a fluidágyas reaktorban végzett granulálás, ahol a porszemcséket bizonyos speciális adalék felülrôl történô bepermetezésével tapasztják össze – szintén levegô befúvása közben. Így állitják elô például a granulált kakaót.
Porfestékek tisztításához vizet szoktak használni áramló közegként. Ennél a módszernél a betáplált festékzagyból (pl. sárga vas-oxid) a víz kioldja és kimossa a nem kívánatos szennyezôket. Tovább bonyolódik a helyzet; ha a fizikai mûvelet mellett (helyett) kémiai reakció (is) lejátszódik a reaktorban. Ilyen lehet a pörkölés vagy az oxidáció. Ez utóbbi egyik legismertebb példája volt a mínium elõállítása. A míniumot korábban széles körben használták rozsda elleni bevonatként, legfontosabb alkotórésze az élénkvörös színû ólom-oxid (Pb3O4 – a paprikahamisítási ügyben elhíresült színezék!), amit finom szemcseméretû ólompor oxidálásával nyertek. A folyamatot fluidágyas reaktorban, 400-500 oC-on, levegôárammal valósították meg. A mûvelet során az ólompor – a levegô oxigénjét felhasználva – ólom-oxiddá alakult. A kapott termék olajos kötôanyagokkal nem besûrûsödö és nem ülepedô – s ezért könnyen kezelhetõ, mázolásra alkalmas – diszperziót képezett.
A fluidágyas reaktorok legfontosabb ipari alkalmazásánál, a kõolaj és magas forráspontú párlatainak motorbenzinné alakításakor (krakkolás) is kémiai folyamat játszódik le. A reaktorban levô szemcsék azonban – az ólomportól eltérõen most nem alanyai a kémiai reakciónak, hanem úgynevezett katalizátorai. Ez annyit jelent, hogy a szemcse, a katalizátor maga, a reakcióban látszólag nem vesz részt, mennyisége nem fogy vagy nô idôközben, de jelenlétével jelentôsen gyorsítja a kémiai folyamatot. Esetünkben az olaj az áramló fluidum, amely "lebegésben" tartja a katalizátorszemcséket (pl. zeolit). Így már 400–500 oC-on végbemegy a krakkolódás (míg katalizátor nélkül ehhez 800 oC-ra van szükség).
A fluid állapot
A felsorolt, mindennapi életbôl kiragadott példák
is bizonyítják, hogy milyen gyakran szorulunk rá olyan
mûvelet megvalósítására, amely szilárd
és folyadék, illetve szilárd és gáz
halmazállapotú anyag között megy végbe.
Felvetôdik a kérdés, vajon miért alkalmaznak
"vihart" ezekhez a folyamatokhoz? Miért jobb ezeket a mûveleteket
fluidágyas reaktorban elvégezni, mint egyszerûbb ("hagyományos")
berendezésekben, ahol mindkét fázis nyugalomban van.
Ennek megértéséhez ismét forduljunk a homokóránkhoz,
de most ne külsô szemlélôként nézzük
az eseményeket, hanem bújjunk bele a homokórába!
A szemcsék és a légáram közötti kapcsolat meglehetôsen csekély, ha a levegô nem mozog, illetve csupán "enyhe tavaszi zefír" (ahogy Bagoly mondaná Micimackónak) lengedez. Erôs szélnél, a fluid állapotot elérve viszont az érintkezés rendkívül intenzvvé válik, minden egyes homokszemcsét "táncra perdít", megpörget a levegô.
Könnyen belátható, hogy egy szilárd–gáz, illetve szilárd–folyadék mûveletnél az elérendô célfolyamat annál gyorsabban játszódik le, minél "bensôségesebb" a kapcsolat a két fázis között. Így a szilárd szemcsék és a fluidum molekuláinak találkozása igen gyakorivá válik, s a fizikai mûvelet vagy kémiai reakció nagyobb valószínûséggel játszódik le. A kapcsolat intenzitása pedig úgy fokozható, ha a gáz/folyadék áramlási sebességét növeljük. Fluidizációs reaktorban viszonylag nagy sebességet, és így elég jó érintkezéseket érhetünk el. Sajnos, nem gyorsíthatjuk az áramlást minden határon túl – az említett "kihordási" jelenség miatt. Pedig bizonyos esetekben az áramlási sebesség további növelésével a fluidágyas reaktor hatásfoka, hatékonysága jelentôs mértékben fokozható lenne. Az utóbbi évtized kutatásai szerint manapság már ez sem elképzelhetetlen.
A titok nyitja
Térjünk vissza a homokóránkhoz, folytassunk
most le egy gondolatkísérletet úgy, hogy homokszemcsék
helyett pl. vasreszeléket tartalmazó részecskék
szerepeljenek. Lelki szemeink elôtt most megjelennek a levegô
befúvásával fluid állapotban lebegô szemcsék.
Ha ebben a pillanatban a reaktor belsejében mágneses teret
tudnánk létrehozni, akkor a részecskéket ez
az erô mintegy odaszögezné a helyükre, s jóval
nagyobb áramlási sebesség lenne csak képes
elmozdítani ôket. Így a kihordás eléréséig
sokkal nagyobb sebességet lehetne alkalmazni, következésképp
az érintkezés a szemcsék és a fluidum között
még intenzívebbé válhatna, ami növelné
a folyamat hatásfokát. A jobb hatásfok pedig racionálisabb
mûködést, nagyobb termelékenységet (nagyobb
reakciósebesség, jobb konverzió, kisebb reaktor...),
s ezáltal csökkenô termékárat jelent. (S
itt kapcsolható össze a címbeli ár két
jelentése egy gondolattá...).
Fluidágyas reaktor
 |
| Elektromágneses úton stabilizált
fluidágyas reaktor vázlata |
A magneto-fluidizált reaktor alkalmazásának az eredetinek többszörösére növelhetô áramlási sebességén túl számos más elônye is van a "normál" fluidágyas reaktorokkal szemben. Ezek közül csak néhányat ragadunk itt ki: kisebb a nyomásesés a reaktor hossza mentén; a szemcséket a mûvelet után egy mágnes segítségével könnyen összegyûjthetjük, sôt ily módon szállíthatók is; ezeken kívül lehetôség nyílik az ellenáramú mûködés megvalósítására (ha a mûvelethez pl. kétféle fluidumra van szükség a szilárd részecskék mellett).
A felsorolt elônyökkel szemben – a fair play szellemében – e készülékek hátrányait is fel kell sorolnunk. Ezek közül leglényegesebb a berendezés magasabb költségigénye: az elektromágneses tekercsek, a különleges "mágneses" részecskék többletkiadást jelentenek. Ez, valamint a technika újszerûsége, kiforratlansága okozhatja, hogy a MSFBR-t manapság még nem alkalmazzák nagyipari méretekben.
Az MSFBR alkalmazási lehetôségeinek kibôvítése, a technikai háttér további fejlesztése érdekében széles körû nemzetközi kutatás folyik. Ennek egyik ágába hazánk is bekapcsolódhatott. Veszprémi kutatók nemrég indítottak el egy olyan alapkutatási programot, amelynek célja biokatalitikus reakció megvalósítása MSFBR ben. A projekt lényege az, hogy magnetitet tartalmazó szemcsék felületére biokatalizátort (enzimet) rögzítünk, és segítségével szerves oldószerben (fluidum) lejátszódó különleges reakciókat viszünk véghez. A folyamat különlegességét a reaktoron túl egyrészt az adja, hogy az enzimek bizonyos csoportját csak a legutóbbi évtizedben kezdték el alkalmazni nemvizes közegben. Ez lehetôvé teszi, hogy azokat a komponenseket is reakcióba vigyünk, amelyek vízben nem oldódnak, ráadásul olyan reakció is végbemegy, ami egyébként víz jelenlétében nem. Másrészt különleges az elôállítandó vegyület. Célunk bizonyos szacharidok zsírsavésztereinek biokatalitikus elôállítása, amelyek szerkezetileg rokon vegyületek a nemrégiben az Amerikai Egyesült Államokban piacra került Olestrával (mûzsír). Az általunk megcélzott vegyületek természetes (!) felületaktív anyagok, s élelmiszer-adalékként, állagjavítóként használhatók fel különféle készítményekben (fagylaltporok, pudingok... stb.).
A homokóra allegória megjelenítését
nem öncélú játéknak szántuk. Reméljük,
hogy a mesterségesen elôidézett homokviharral sikerült
szemléletesen bemutatnunk a fluidizáció jelenségét,
illetve a vele kapesolatos legújabb kutatási területeket.
IRODALOM
Blickle Tibor: A fluidizációs eljárás készülékei, alkalmazásai és számításai, Akadémiai Kiadó, Budapest, 1963.
Neumüller, O. A.: Römpps Chemie-Lexikon, Franckhische Verlagshandlung, Kosmos Verlag, Stuttgart, 1977.
Liu, Y. A., Hamby, R. K., Colberg, R. D.: Fundamental and practical developments of magnetofluidized beds: a review, Powder Technol. 64 3-41 (1991)