základy procesního inženýrství - Vysoká škola báňská - Technická ...

4 Sdílení tepla
Při ohřevu nebo chlazení kusového, zrnitého nebo práškovitého materiálu je přenos tepla poněkud
obtížnější než ohřev tekutin. S pevnou stěnou a s dalšími částicemi je materiál zpravidla jen
v bodovém kontaktu, takže místní vedení tepla je špatné. Proto používáme k ohřevu pomocnou
tekutinu (např. vodu k ohřevu párků, oleje ke smažení). Při výpočtech pak musíme uvažovat jednak
součinitel přestupu ze stěny do tekutiny jednak z tekutiny do částice. Mechanizmem bývá volná
konvekce v poměrně malém prostoru, v metalurgických procesech a ve vysokoteplotních reaktorech
musíme připočítat sálání tepla.
Poněkud výhodnější je to při tavení nebo sublimaci kde se po nějaké době jednak vytváří horká tekutá
fáze, jednak se částice dostávají při úbytku objemu do lepšího plošného kontaktu.
Tyto procesy vyžadují teplo pro ohřev a změnu skupenství.
Krystalizace
Krystalizace z taveniny
Krystalizací rozumí materiálový inženýr zpravidla krystalizaci z taveniny, kde se krystaly vytvářejí
při tuhnutí kapaliny a při jejich dalším tepelném zpracování. Z hlediska přenosu tepla jde o řízený
proces chlazení. Při tepelné bilanci musíme respektovat to, že část tepla odebíráme při samotném
ochlazování, ale navíc odebíráme i příslušné skupenské teplo.
Zajímavé je, když se při tom současně provádí „processing“ tehdy když současně vytváříme výrobek
nebo prefabrikát (například tvarování skla, polymerů, těstovin). To se dá dělat jednak jednorázovým
lisováním, foukáním nebo vstřikováním do chlazené formy jednak kontinuálním vytlačováním
tvarovou hubicí do chlazeného prostoru (tabulové sklo, skleněné trubice, plastové profily, vlákna, hadice,
makaróny, špagety). U zmíněných materiálů je výhodou, že z vysokoviskózního tekutého do pevného
skupenství přecházejí pozvolna, takže na tvarování a chlazení je dost prostoru a času. Nemůžeme zde
přesně vymezit teplotu tání; je tu jenom teplota skelného přechodu, nad nímž se materiál dá tvarovat a
pod nímž je křehkým.
Podstatně náročnější je kontinuální tvarování kovových profilů („kontilití“), protože kovy přecházejí
z nízkoviskózní kapaliny do pevného skupenství skokově při teplotě tání. Intenzivním chlazením (ostřik
odpařovanou vodou) je současně nutno vytvořit na povrchu odtahovaného profilu dostatečně pevnou
kůru, kterou vnitřní tavenina již neprorazí a přitom nezchladit kov natolik aby ucpal hubici.
Krystalizací z taveniny (nebo z plynu – obrácený proces k sublimaci) lze také vyrobit velké čisté
monokrystaly (např. křemík pro polovodiče nebo technický rubín, s použitím velmi vysokých tlaků i
diamanty).
Pro lepší manipulovatelnost se někdy snažíme získat pevný materiál v granulích.
Historickým případem byla výroba broků kapáním roztaveného olova z věže. Podobně se vyrábějí
pecičky hydroxidu sodného nebo smoly, kuličky „prilované“ močoviny, granulovaný zinek apod.
Krystalizace z roztoku
V chemických výrobách jde častěji o krystalizaci z roztoku. Klíčovou veličinou je zde rozpustnost.
Rozpustnost lépe rozpustných tuhých látek nejčastěji tradičně tabelují chemici jako hmotnost látky
v gramech, která se rozpustí za dané teploty ve 100 g vody. Při výpočtech pozor na to, zda v definici látky
je nebo není započítána krystalová voda!
Běžně se při krystalizaci postupuje tak, že se postupně odpařuje v odparce rozpouštědlo. Aby nedošlo
k narůstání krystalů na ohřívaných plochách (nárusty krystalů se obtížně ze stěn odstraňují a zhoršují
tam přestup tepla) vede se zpravidla zahuštěný roztok do další nádoby, krystalizátoru, ve kterém se
chladí. Rozpustnost solí většinou (někdy velmi výrazně) klesá s klesající teplotou, takže chlazením se
stává roztok přesyceným. V laboratoři krystalizaci z chlazeného nasyceného roztoku říkáme rušená
krystalizace a pro její bilanční výpočet nás zajímá rozpustnost dané soli při teplotě varu a při
laboratorní teplotě (ty bývají uvedeny i v jednodušších tabulkách). V krystalizačním prostoru se
začnou vylučovat krystaly, které se i v provoze odlučují sedimentací nebo filtrací. Nasycený roztok
tzv. „matečný louh“ se vrací zpět do odparky. Vhodným vedením proudění a sdílení tepla
v krystalizátoru se dá dosáhnout toho, že krystalizace na teplosměnných plochách nenastává, do
výstupu se dostávají jen dostatečně veliké krystaly zhruba stejného rozměru a malé krystaly se
ponechávají jako krystalizační zárodky pro další krystalizaci. Čím je krystalizace pomalejší, tím
105