21
INŻYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA .:. OPERACJEDYNAMICZNE - wymiana pędu czynnik sprawczy: różnica ciśnień ~p ~ przepływ płynów ~ sedymentacja ~ filtracja ~ wirowanie ~ mieszanie .:. OPREACJECIEPLNE- wymiana ciepła czynnik sprawczy: różnica temperatur ~T ~ przewodzenie ~ konwekcja ~ promieniowanie ~ przenikanie JAK ~ W czv» ~ .:. OPERACJEDYFUZYJNE- wymiana masy czynnik sprawczy: różnica stężeń ~c ~ absorpcja ~ desorpcja ~ adsorpcja ~ ekstrakcja ~ krystalizacja ~ destylacja ~ suszenie ~ restryfikacja ~ nawilżanie/suszenie powietrza ~ ogólne prawa dyfuzyjnego ruchu masy Odpo.ol..j CM",'T!!, Clt~"e,3'-v •• e) 1. BILANS MATERIAŁOWY (zasada zachowania masy) W rozważanym układzie zamkniętym suma mas poszczególnych składników (przed i po procesie) jest wielkością stałą. 2. BILANS ENERGETYCZNY(zasada zachowania energii) Suma wszystkich rodzajów energii w układzie zamkniętym jest stała. 3. RÓWNOWAGA (mechaniczna, cieplna, fizykochemiczna) osiągana przez układ, charakteryzuje się stałością własności całego układu w dowolnie długim czasie. 4. KINETYKA przebiegu danej operacji w układzie określa szybkość, z jaką układ zdąża do stanu równowagi. Szybkość przebiegu takiej operacji zależy od wartości siły napędowej (np. ~T, ~Q, ~c) oraz od wielkości występującego w toku reakcji oporu (oporu tarcia, cieplnego dyfuzyjnego itp.)

Inzynieria Chemiczna OK

Embed Size (px)

Citation preview

INŻYNIERIA CHEMICZNA I PROCESOWA

.:. OPERACJEDYNAMICZNE - wymiana pęduczynnik sprawczy: różnica ciśnień ~p

~ przepływ płynów~ sedymentacja~ filtracja~ wirowanie~ mieszanie

.:. OPREACJECIEPLNE- wymiana ciepłaczynnik sprawczy: różnica temperatur ~T

~ przewodzenie~ konwekcja~ promieniowanie~ przenikanie JAK ~

W c zv» ~.:. OPERACJEDYFUZYJNE- wymiana masyczynnik sprawczy: różnica stężeń ~c

~ absorpcja~ desorpcja~ adsorpcja~ ekstrakcja~ krystalizacja~ destylacja~ suszenie~ restryfikacja~ nawilżanie/suszenie powietrza~ ogólne prawa dyfuzyjnego ruchu masy

Odpo.ol..j

CM",'T!!, Clt~"e,3'-v ••e)

1. BILANS MATERIAŁOWY (zasada zachowania masy)W rozważanym układzie zamkniętym suma mas poszczególnych składników(przed i po procesie) jest wielkością stałą.

2. BILANS ENERGETYCZNY(zasada zachowania energii)Suma wszystkich rodzajów energii w układzie zamkniętym jest stała.

3. RÓWNOWAGA (mechaniczna, cieplna, fizykochemiczna)osiągana przez układ, charakteryzuje się stałością własności całego układu w dowolnie długimczasie.

4. KINETYKA

przebiegu danej operacji w układzie określa szybkość, z jaką układ zdąża do stanurównowagi. Szybkość przebiegu takiej operacji zależy od wartości siły napędowej (np. ~T,~Q, ~c) oraz od wielkości występującego w toku reakcji oporu (oporu tarcia, cieplnegodyfuzyjnego itp.)

OPERACJE DYNAMICZNEczynnik napędowy: różnica ciśnień, ~p

Gazy:

• doskonałe (pV=nRT)

• rzeczywiste

Ciecze:

• doskonałe (nie mają lepkości)

• rzeczywiste- niutonowskie- nieniutonowskie

F-=11A

dW.--dh

Prawo Newtona

gdzie: 11 - dynamiczny współczynnik lepkości

PRZEPŁYW PŁYNÓW - RÓWNANIA CIĄGŁOŚCI PRZEŁYWU DLA RUROCIĄGU

1) prawo zachowania strugi

A2 W2.

2) prawo zachowania masy

Liczba Reynoldsa (liczba kryterialna)

Re = WdpYJ

o Re < 2 000 - przepływ laminarny

(ruch uporządkowany)

@ Re > 10 000 - przepływ turbulentny

(ruch burzliwy, szybki, zawirowania)

2.

3) prawo Bernouliego

Suma energii (potencjalnej, kinetycznej, objętościowej) w danej strudze jest stała - formaprawa zachowania energii.

Ciśnieniowa forma tego prawa: w strudze suma ciśnień (statyczne, dynamiczne, geodezyjne)jest stała - dot. cieczy doskonałych.

----~Pgeo= constans

gdy Pstat< Patm zassanie powietrza

Pstat+ Patm+ Pgeo= constans

dla cieczy rzeczywistych:

(A) ~Pst =A.~.(~2.p)na. 1>' o h-I-~c.Io!

ode: n "o..c,.h

A - współczynnik oporuL - długość odcinkad - średnica rurociąguw - prędkość przepływup - gęstość cieczy

OPQ~ fVI;eJscol.le. no. Za.c...orClcM,k.ol~/I"l).dl i4y·

I (A) + (2)

Pstat+ Patm+ Pgeo+ 6pst = constans

całkowity spadek ciśnienia podczas przepływu przez rurociąg jest sumą spadków ciśnieniana odcinkach prostych na oporach miejscowych

POMPY:

- wyporowe (tłokowe)

- wirowe (odśrodkowe)

- inne

- ssące

- tłoczące

- ssąco-tłoczące

Pompy tłokowe:

+ lepsze wykorzystanie energii dzięki dużej możliwości zmian obciążeń

+ możliwość tłoczenia cieczy o bardzo dużej lepkości

+ stała wydajność, nawet wtedy gdy jest zmienne przeciwciśnienie (dozowanie)

- duże rozmiary

- duży koszt eksploatacji

- wysoka korozyjność (dla cieczy bardzo czystych)

Pompy wirowe są mniej sprawne, ale mają dużo innych zalet, dlatego też, to one zyskałyprzewagę w przemyśle:

• zwarta budowa i związana z tym oszczędność miejsca• bezpośrednie związanie z silnikiem• duża trwałość z powodu małej ścieralności części ruchomych• brak zaworów - pompy te nadają się do tłoczenia zawiesin• duże wydajności przy małych i średnich wysokościach podnoszenia, najczęściej stosowanych

w przemyśle• automatyczne zmniejszanie się wydajności w miarę wzrostu oporów bez uszkodzenia pompy

(tłoczenie przez filtry)

Parametry pomp:

~ wydajność pompy q,wytworzony przez pompę przepływ objętościowyjednostka: m3jgodz.

~ wysokość podnoszenia Hpenergia przenoszona przez pompę w odniesieniu do siły ciężkości cieczyjednostka: m

'---------------. q,\,

Nie całą energię, którą pompa pobiera z zewnątrz możemy wykorzystać praktycznie. Samapompa ma swoje opory wewnętrzne. Dopiero po ich uwzględnieniu otrzymujemy ciśnienielub wysokość podnoszenia użyteczną. Wynikowe ciśnienie użyteczne możemy dopiero wykorzystaćna pokonanie oporów przepływu przez rurociąg.

Hp = Hgeo + .1Pstrat = ... m HzO

~3"'5M

et v ':::' C.o n.s+AnS

Hp zw:ękSZQ. .sięHp ~ co nsło./I-S

q" zw;ęhz.o.. ..s:ę

j>Qi Ą CZ E N IE 'lOr/No LE Ort E

SEDYMENTACJA - opadanie cząstek ciał

TId3Fe = _. Ps : g

6

TId3

Fw = 7· Pc· g

w2F =r.·A·_·pg ~ 2 c

w= 'J)ręd"QUku dOlo&.!;

{ - współczynnik oporu jest funkcją liczby Re:

1) 10-4 < Re < 0,4 - obszar Stokesa

~= 2411wdp.,

2) 0,4 < Re < 103- obszar Allena~= 18,5

ReO,6

3) 103 < Re < 2 .105- obszar Newtona

~= 0,44

Aparaty do sedymentacji to odstojniki.

Powinny być one płytkie i duże, gdy zależy nam na ograniczeniu czasowym dla procesu. Jeżelidecydującym parametrem jest dokładny rozdział substancji odstojnik powinien być wysoki.

FILTRACJA

~ próżniowa - po stronie filtratu wytworzone jest podciśnienie~ ciśnieniowa - po stronie zawiesiny wytworzone jest nadciśnienie

dVAdT

v - objętość filtratud - średnica kapilary międzyziarnowejT - czas filtracjit.p - różnica ciśnieńTh -lepkość dynamiczna cieczyC - objętość filtratu jaką otrzymamy

~pTlLax(V_C)

A

5

1) Filtracja pod stałym ciśnieniem (p=constans) - założenie to umożliwia scałkowanie równaniapo rozdzielaniu zmiennych

f f A2ilp(V - C)dV = --dTTJLax

2) Filtracja przy stałym objętościowym natężeniu przepływu filtratu. Zakładając dVIdr =

constans = VIr i jak poprzednio, przyjmując osad za nieściśliwy równanie filtracji przyjmiepostać:

dVAdT

ilp VTJ ux = -A = constans-T(V-C) T

3) Filtracja plackowa - cykl pracy:

• filtracja właściwa - tworzenie się placka na filtrze i uzysk filtratu• odwodnienie placka - usunięcie filtratu z przestrzeni międzyziarnowych osadu przez

przedmuchiwanie gazem• przemywanie placka - usunięcie z osady substancji rozpuszczonej w filtracie przez

przepuszczenie cieczy przemywającej• ponowne odwodnienie placka• usunięcie placka z przegrody filtracyjnej• oczyszczenie przegrody filtracyjnej

WIROWANIE

w = 2TInu - prędkośćw - prędkość kątowan - liczba obrotów w jednostce czasur - odległość cząstki od osi obrotu(promień obrotu)

siła odśrodkowa 2 muZF =mwr=-o mg

mg mg(2nn)2 2---~4n r

gg

MIESZANIE

~ cel: uzyskanie mieszaniny ze stałym stężeniem i/lub temperaturą~ w przypadku zawiesin - zapobiegamy sedymentacji~ na proces mają wpływ właściwości cieczy i charakter ruchu powodującego mieszanie

związane z konstrukcją aparatu i prędkością obrotów mieszadła

Rozpatrując wpływ właściwości cieczy należy wskazać trzy istotne przypadki charakteryzujące sięróżną zmianą lepkości cieczy zależnie od prędkości obrotowej mieszadła:

• ciecze niutonowskie - intensywność mieszania nie wpływa na zmianę lepkości płynu, zależnejjedynie od temperatury procesu

• ciecze pseudoplastyczne Bingmana - lepkość maleje przy dużych obrotach mieszadła i jestkorzystne energetycznie prowadzić proces przy większej prędkości obrotów mieszadła

• ciecze zintegrowane - lepkość wzrasta w miarę zwiększania liczby obrotów mieszadła,mieszanie prowadzi się przy pewnym optimum obrotów

G

Występuje ok. 35 rodzajów mieszania.

Istotne parametry:~ wymiary mieszadła (h, d)~ wymiary zbiornika (D)~ budowa mieszadła i jego położenie względem osi zbiornika~ prędkość obrotowa mieszadła (n)~ wysokość słupa cieczy w zbiorniku (H)

W pewnych warunkach wytworzony lej może osiągnąć poziom łapy mieszadła i procesowi mieszaniabędzie towarzyszyć napowietrzenie układu, co często jest zjawiskiem korzystnym.

Charakter ruchu cieczy w zbiorniku określa liczba Reynoldsa (Re). Nie jest ona kryteriumuniwersalnym, gdyż nie uwzględnia rodzaju mieszadła. Zastępczą liczbę Reynoldsa dla mieszaniaprzyjmuje się równą:

I

n - prędkość obrotowa mieszadład - średnica mieszadłap - gęstość cieczy~ - lepkość cieczy

mieszanie osiowe mieszanie promieniowe

ddno ~o~b;one

J) - trOSl'\tll"ł et.:p~

Rodzaje mieszadeł:

lturbinowe łapowe śmigłowe

W6pOiCl~nnatoporu

'"ieuo.Jl'Q.

~ __ ~..;.;~owe

_-----~J.I',\:9Towe.

MOC

dla ruchu laminarnego:

dla ruchu burzliwego:

N = C1 • d3 • nZ • 11

N = Cz . d5 . n3 . p

c - stała zależna od typu mieszadła

OPERACJE CIEPLNEczynnik napędowy: różnica temperatur, ~T

transport ciepła z temperatury wyższej do niższej

PRZEWODZENIE

Proces zachodzi wewnątrz jednego ciała, a ciepło przewodzone jest z cząsteczki nacząsteczkę, przy czym znajdują się one w stanie spoczynku.

. AQ = A . - . (T1- Tz)

S

T1>T2

Q - strumień wymienionego ciepła [W]A - pole powierzchni wymiany ciepła [m2

]

A -współczynnik przewodności cieplnej [WjmK]s - grubość ściany [m]

Ze względu na przewodzenie ciepła ciała możemy podzielić na:

• dobre przewodniki ciepła, np. metale (duże upakowanie cząstek)• złe przewodniki ciepła = izolatory, np. plastik, drewno, powietrze (najlepszy - próżnia)• ciała o pośrednich własnościach, np. woda

KONWEKCJA - unoszenie, wnikanie ciepła

Ruch ciepła jest połączony z ruchem masy - przenoszące ciepło cząstki są w ruchu.

np. kaloryfer

~ konwekcja naturalna (laminarna)~ konwekcja wymuszona (burzliwa) - wymiana ciepła jest szybsza (np. wentylator)

Q = a . A . eT1 - Tz) a - współczynnik przejmowania ciepła r:KlPROMIENIOWANIE

Przekazywanie ciepła w postaci energii promieniowania, którego natura jest taka sama, jakenergii świetlnej. Energia cieplna przekształca się w energię promieniowania, przebywa określonąprzestrzeń z prędkością równą prędkości światła, aby w innym miejscu przekształcić się całkowicielub częściowo w energię cieplną.

(rzadko stosowana metoda w przemyśle chemicznym)

B

PRZENIKANIE ciepła między dwoma ośrodkami płynnymi, podzielonymi ścianką płaską(przeponą) o powierzchni A, grubości s i współczynniku przewodzenia ciepła A

Ti -temperatura ośrodka grzejnegoprzy czym: T1 > T2

T2 - temperatura ośrodka grzewczego

al, a2- współczynniki wnikania ciepła

Twl - temperatura powierzchni ścianki od strony ośrodka ogrzewającego

Tw2 - temperatura powierzchni ścianki od strony ośrodka ogrzewanego

Zakładamy, że przepływ ciepła przez ściankę jest ustalony w czasie (dO/d-r = q = constans), a ilośćciepła oddawana w jednostce czasu przez ośrodek grzejny jest równa ilości ciepła przewodzonegoprzez ściankę i pobieranego przez ośrodek ogrzewany w tej samej jednostce czasu.

t-----I NI E r---ł~RZ.E:

brQkzróol'io.e."e~::

I

ItI s sIII

I

I••w ~ ZE.

~ONwE KCJA KONWEKCJA

1) wnikanie od ośrodka grzejnego do ścianki (oddawanie ciepła)

2) przewodzenie ciepła przez ściankę płaską (równanie Founiera)

3) wnikanie ciepła od ścianki płaskiej do ośrodka ogrzewanego (pobieranie ciepła)

Dla ustalonego ruchu ciepła (ql=q2=q3=q) możemy wyznaczyć spadek temperatur w poszczególnychstadiach procesu traktując te temperatury jako siły napędowe ruchu ciepła w rozważanych stadiach.

Dla ścianki płaskiej:

1Tl - TWl = qC(lA

sTWl - Twz = qAA.

1Twz -Tz = q-C(zA

A więc dla ośrodka grzejnego:

Dla ośrodka ogrzewanego:

(dodając stronami)

1q = l o l A (Ti - Tz)-+-+-

al A az

a-wnikanieA - przewodzenie

K- współczynnik przenikania ciepła

1opór termiczny: R =

K K = [~Sd= [m~d

OPERACJE DYFUZYJNEczynnik napędowy: różnica stężęń, f:::.c

ABSORPCJA

• transport masy między fazą gazową iciekłą• celem przeprowadzenia procesu jest rozdział mieszaniny gazowej lub usunięcie z niej jednego

ze składników

~ absorpcja fizyczna - rozpuszczenie absorbowanego składnika w rozpuszczalniku; odzyskanierozpuszczalnika polega na desorpcji w odpowiednich warunkach

~ absorpcja chemiczna - składnik mieszaniny reaguje z fazą ciekłą; odzyskanie składnikazaabsorbowanego będzie zależało od konkretnego przypadku i własności zachodzącej reakcjichemicznej

W PRZEMYŚLE CHEMICZNYM PROCESY NIE PRZEBIEGAJĄ W WARUNKACH RÓWNOWAGOWYCH!

Równowaga absorpcyjna - zależność stężenia składnika absorbowanego w gazie (y) i w cieczy (x)dla zadanej temperatury układu

y. -------

o.b60rpcjo.y

de.sorpcjo..

Każdy punkt krzywej (y*, x*) oznacza, że dla takich składów fazy gazowej i ciekłej, szybkościabsorpcji składnika z roztworu gazowego do cieczy i desorpcji tego składnika z roztworu ciekłegosą sobie równe.

AO

1} prawo Raoulta:

p = p'. x

gdzie: p' to ciśnienie pary nad czystym roztworem składnika ciekłego w danej temperaturze

2} prawo Henry'ego:

y= H·X

gdzie: Y - stężenie składnika w gazie

H- stała Henry'ego (zależna od układu i temperatury}

X - stężenie składnika w cieczy

W celu zaabsorbowania odpowiedniej ilości gazu musimy pamiętać o dobrym rozwinięciupowierzchni kontaktu. Można to uzyskać przez:

a) barbotaż* gazu w ciągłej warstwie fazy ciekłejb) natrysk ciągłej fazy gazowej kroplami cieczyc) kontakt układu gaz-ciecz w kolumnach z wypełnieniemd) kontakt układu gaz-ciecz w kolumnach ze zwilżonymi ściankami

*przepuszczanie gazu w postaci pęcherzyków przez warstwę cieczy w celu zwiększenia kontaktu między cieczą a gazem

4G.'/4 łLo

1-1..J..u..~~~1 ot

I l-I

.'

I n,1.... łCr.,.Akolumna absorpcyjna połówkowa

stężenie:

" ,,-A x - w fazie ciekłej

y - w fazie gazowej

BILANS:

równanie linii operacyjnej:

)( czynniki: temperatura, ciśnienie, czas

AA

Wpływ temperatury i ciśnienia:

~ zmiana położenia linii operacyjnej i równowagi - zmienia się również kinetyka procesu~ ze wzrostem ciśnienia linia operacyjna nie zmienia swojego położenia; linia równowagi

natomiast obniża się (oddala się od operacyjnej) - zwiększa się siła napędowa procesu~ ciśnienie wpływa na wartość współczynników kinetycznych Kp i Kc oraz grubość warstewek

granicznych~ przy podwyższeniu temperatury linia operacyjna nie ulega przemieszczeniu, ale zmienia

się położenie linii równowagi - zbliża się ona do operacyjnej; siły napędowe procesuadsorpcji ulegają zmniejszeniu

~ temperatura silnie wpływa na kinetykę procesu, zmienia lepkość gazu i cieczy, które toparametry wpływają na grubość warstewek granicznych

-l- temperatury l' ciśnienia - sprzyja adsorpcji

l' temperatury ~ ciśnienia - sprzyja desorpcji

DESORPCJA

Celem tego procesu jest odzyskiwanie jednego (lub wielu) składników gazowychrozpuszczonych w cieczy lub regeneracja roztworu ciekłego przez usunięcie zeń gazu.

Regenerację często prowadzi się z jednoczesnym podgrzaniem roztworu i zastosowaniemgazu inertnego lub pary jako czynnika wymywającego.

Często, gdy absorpcja (dla zwiększania skuteczności) jest prowadzona pod zwiększonymciśnieniem, desorpcja jako proces regeneracyjny jest prowadzona pod ciśnieniematmosferycznym lub obniżonym w stosunku do atmosferycznego.

Desorpcja fizyczna

W wielu przypadkach jest procesem, który jest lustrzanym odbiciem absorpcji fizycznej.Dotyczy to rozkładu stężeń w warstwach obu faz, kierunku transportu i sposobu opisu. Daneniezbędne do opisu aparatu desorbującego są identyczne z potrzebnymi do obliczeńaparatów absorbujących:

- rozpuszczalność gazu

- dyfuzyjność w obu fazach

- współczynniki przenikania masy

- typ stosowanego aparatu

Opis desorpcji jest różny od absorpcji gdy:

• rozpuszczony gaz zmniejsza napięcie międzyfazowe - jest to zjawisko niestabilności typuMarangoniego - przyspiesza wymianę masy i sam proces desorpcji

• tworzy się piana na powierzchni międzyfazowej - desorpcja zachodzi szybciej (większapowlerzchnia wymiany masy)

A2

Desorpcja z towarzyszącą jej reakcją chemiczną

~ w zakresie "powolnym" reakcji - składnik jest wytwarzany lub reaguje w głównymstrumieniu cieczy i stąd dyfunduje przez warstwę tej cieczy do gazu, procesy reakcji idesorpcji następują po sobie

~ w zakresie "szybkim" reakcji- desorpcja i reakcja zachodzą równolegle

ADSORPCJA to proces, w którym wykorzystuje się zmiany stężenia składnika na powierzchnirozkładu faz, spowodowane oddziaływaniem sił powierzchniowych. Wyróżnić tu można siłytypu van der Waalsa, siły wiązań wodorowych oraz oddziaływania prowadzące do przemianychemicznej z utworzeniem nowego związku na powierzchni rozkładu faz.

Ze względu na charakter sił wyróżniamy:

• adsorpcję fizyczną (adsorpcja)• adsorpcję chemiczną (chemisorpcję)

Cząsteczki, atomy lub jony fazy gazowej znajdującej się w pobliżu granicy rozdziału fazpodlegają działaniu cząstek lub atomów powierzchniowych fazy stałej, których stanenergetyczny jest inny niż tych samych atomów lub cząsteczek w głębi fazy stałej. Tenierównoważone siły powodują, że na powierzchni granicznej rozdziału faz następuje zmianakoncentracji cząsteczek w porównaniu z ich zawartością w głębi fazy gazowej lub ciekłej.

c

x

Przy dostatecznie długim czasie kontaktu obu faz ustala się równowaga adsorpcyjna.Równanie równowagi opisuje zależność stężenia adsorbantu c od ciśnienia równowagowegop w głębi roztworu w zadanej temperaturze procesu T.

F (c, p, T) = O

c - ilość substancji zaadsorbowanej określana jako ilość moli adsorbantu przypadającana 1 g adsorbenta

p - cząstkowe ciśnienie równowagowe składnika gazowego adsorbowanego w rdzeniufazy gazowej

Najczęściej równowagę adsorpcji przedstawia się w postaci izotermy adsorpcji opisywanejrówna niem: c=f(p h=constans

Szybkość adsorpcji zależy od własności fizykochemicznych adsorbowanych cząstek orazbudowy adsorbenta

1) transport adsorbantu z wnętrza roztworu do powierzchni ziarna adsorbenta2) transport dyfuzyjny adsorbantu do wnętrza kapilar adsorbenta3) adsorpcja na powierzchni aktywnej

----------------_ ....~--_._--.

Szybkość procesu jest zazwyczaj ograniczona szybkością transportu dyfuzyjnego. Nie istniejematematyczny opis kinetyki procesu adsorpcji, który uwzględniałby wszystkie czynnikiwpływające na szybkość. Najczęściej stosowane równanie kinetyczne ma postać:

de- = k e e-katdt a O

k, - stała szybkości adsorpcji zależna od rodzaju adsorbantu i powierzchni adsorbentaoraz temperatury i ciśnienia

Co - równowagowa ilość adsorbantu

Metody regeneracji

Celem regeneracji adsorbenta jest odzyskanie adsorbantu, jeżeli jest on cennym składnikiemoraz przywrócenie adsorbentowi jego własności adsorpcyjnych. W tym celu w odpowiednichwarunkach adsorbent poddaje się działaniu podwyższonej temperatury pod obniżonymciśnieniem. Wymywanie prowadzi się za pomocą gazu obojętnego lub pary, ewentualnieciekłych rozpuszczalników.

Sortowanie adsorbenty

O jakości adsorbentów stanowi rozwinięcie ich wewnętrznej powierzchni. Zazwyczaj to z.tącechą związana jest zdolność adsorpcyjna adsorbenta. Ważną cechą jest rozkład wielkościporów (mikro imakropory).

Handlowe nazwy adsorbentów:

)o> ziemie bielące - spreparowane glinokrzemiany (bentonit, kaoliny itp.))o> ziemie FulIera - adsorbent naturalny, uwodniony krzemian glinowo-magnezowy)o> siły molekularne - uwodnione glinokrzemiany ziem alkaicznych grup zeolitów

Czynniki majqce wpływ na adsorpcję:

• temperatura)o> adsorpcja fizyczna - w wyższej temperaturze proces zachodzi szybciej (krzywa

przebicia staje się spłaszczona, co powoduje konieczność zwiększenia wysokościwarstwy adsorbenta

)o> chemisorpcja - wpływ temperatury zależy od indywidualnego przypadku reakcjichemicznej

• szybkość przepływu roztworu nie wpływa na równowagę, ma jednak duży wpływ nakinetykę procesu

• adsorpcja przebiega korzystniej dla mniejszych ziaren adsorbenta; wzrost gęstościadsorbantu powoduje zmniejszenie zdolności adsorpcyjnej

Zastosowanie adsorpcji

)o> rozdzielanie gazów - odświeżanie powietrza, usuwanie gazów toksycznych)o> oddzielanie par od gazów - odzyskiwanie rozpuszczalników, suszenie gazów, usuwanie

wilgoci)o> oddzielenie substancji rozpuszczonych z roztworów - odbarwienie, klarowanie

roztworów)o> oddzielanie jonów z roztworu - zatężanie metali)o> frakcjonowanie składników mieszaniny - gdy adsorpcja jest prowadzona selektywnie

EKSTRAKCJA to proces selektywnego rozdzielania mieszanin za pomocą rozpuszczalnikaciekłego lub gazu w stanie nadkrytycznym.

Rozróżniamy układy ekstrakcyjne typu:

• ciecz-ciecz• ciało stałe-ciecz• ciało stałe-gaz w stanie nadkrytycznym

Rozważmy mieszaninę dwóch mieszających się ze sobą cieczy:

surowce: A- rozpuszczalnik pierwotny, B - substancja rozpuszczona

Roztwór taki zadajemy specjalnie dobranym rozpuszczalnikiem zwanym ekstrahentem C,nie mieszającym się lub tylko częściowo mieszającym się zA.

ra.f; "0.

C+'El + A

ctoZp"$2aQ.(.~:\(

w+o~

Stopień ekstrakcyjny to urządzenie mechaniczne lub zespół takich urządzeń zapewniającywymieszanie oraz odpowiednio długi czas kontaktu cieczy biorących udział w ekstrakcji,a następnie ich rozdział na fazę wzbogaconą w składnik rozpuszczony (ekstrakt) i fazęzubożoną w ten składnik (rafinat).

Załóżmy, że do pojedynczego stopnia ekstrakcyjnego wprowadzamy surówkę w ilości S moli/si rozpuszczalnik C moli/s. Aparat opuszcza E moli/s ekstraktu i R moli/s rafinatu.

Co+S=M

M = R+ E

bitans składnika B: Coxc + SXs = RXR + EXE

AS

Ekstrakcja stopniowa przeciwprądowa

Unika się tu pewnych wad, jakie niesie ze sobą metoda współprądowa. W ekstrakcjiprzeciwprądowej ekstrakt ze stopnia następnego zwracamy do stopnia poprzedniego.Rozpuszczalnik doprowadzamy do powstałej kaskady na przeciwległym krańcu w stosunku dosurówki.

Bilans materiałowy kaskady:

S + Co = El + Rn = M

lub

S - El = Rn - Co = O

(E.1 [

S ') A

Ekstrakcja o prądzie skrzyżowanym (współprądowa)

To proces będący zwielokrotnieniem procesu zachodzącego w pojedynczym stopniu. Zasadaprowadzenia tego procesu polega na tym, że rafinat stopnia poprzedniego zasila jako surówkastopień następny.

___1~'__, , fz__,

, "~ I ó+Opten : R" ł '+.:lp;e~ I R___ ~): ,__ ~)I l ">

ł A : \ 2I :''--l: --, '---t:,-'

Najlepsze wyekstrahowanie uzyskujemy wc

na poszczególne stopnie: Ci = C2 = ... = C, =-n.

t Ent - - - - - -

~n~Ą,s-ł o p:e FI R,.

) >

przypadku

---f ---~en

równomiernego podziału C

KRYSTALIZACJA

To jeden z najstarszych procesów w technologii. Stosuje się ją do wytwarzania substancjistałych, wydzielenia fazy stałej z cieczy i oczyszczania roztworów. To jedna znajtańszychmetod otrzymywania czystej fazy stałej z zanieczyszczonych roztworów. Krystalizację stosujesię też do rozdzielenia mieszanin ciekłych w temperaturze bliskiej ich temperaturykrzepnięcia. Osobnym zagadnieniem, którym zajmuje się krystalizacja jest otrzymywaniekryształów o rozmiarach ziaren zawartych w żądanym zakresie oraz "hodowla" kryształówo odpowiednio dużych rozmiarach.

c~ rod-l.Ior

rozłwOf' No.zbD4/ nQ..s~co'?:)

krzj WQKNOJ'Prz.ł~Co,,~

C ('T)t

rowI"OWO.,a;u

roz.~r ( tO z.pV ~2.(Z Q.l.,~..sC)1"1 t' e"Q.)~(QI\~

CotOZpJ stc.laL,,;k

Na.CL x- ł-IlOC

11T MAX = Tz- TR

T2. Tr T~ 'T11CMAX = Cu- C

Od momentu, gdy w przesyconym roztworze wytworzy się stabilny zarodek, zaczyna sięwzrost kryształów. Istnieje wiele często niespójnych teorii ilościowego wzrostu kryształów.

1) teoria energii powierzchniowej - opiera się na postulacie Gibbsa i mówi, że kryształrosnąc przyjmuje taki kształt, aby jego energia powierzchniowa była najmniejsza. Zgodniez modyfikacjami tej teorii próbuje się opisać szybkość wzrostu kryształu przez wzrostposzczególnych ścian, szybkość ta jest proporcjonalna do energii powierzchniowej ścian

2) teoria warstw adsorpcyjnych - zakłada, że cząsteczki substancji krystalizującej osadzają sięna powierzchni kryształu w miejscu, gdzie siły przyciągania są największe, to znaczy tam,gdzie jest umieszczona największa liczba takich elementów

Teorie te opierające się w ujęciu ilościowym na modelach probabilistycznych nie dajązadowalających wyników i są mało użyteczne z inżynierskiego punktu widzenia. Wygodna zewzględu na prosty opis ilościowy jest teoria dyfuzyjnego wzrostu kryształów. Zgodnie z nią,równanie krystalizacji (wzrostu kryształów) ma postać:

dmdt = k . A . (C - C*)

m - przyrost masy w fazie stałej w czasie t

k - współczynnik wnikania masy

A - powierzchnia kryształu

C - stężenie składnika w roztworze przesyconym

C* - stężenie składnika w roztworze nasyconym

Po uwzględnieniu modyfikacji tej teorii stwierdzamy, że podczas wzrostu kryształu występujądwa etapy:

~ transport dyfuzyjny składnika z głębi fazy ciekłej do powierzchni kryształu~ wbudowywanie cząsteczek substancji krystalizującej w strukturę kryształu

rOz.łt.uÓr

;-----~~------cI

I- - -:-- - f $;0.-n~ę~~~

'ROZWAŻAM.,

UKtAo'ł

DWU S IC:U ihJlltC))Jt

Siły napędowe procesu krystalizacji

dm = kd . A· (C - C*)dt

dm = k . A· (C - C*)dt r

sumaryczny współczynnik wnikania wylicza się z zależności:

1 1 1-=-+-k kd k,

kd- współczynnik wnikania wskutek dyfuzji

k, - współczynnik szybkości reakcji powierzchniowej

DESTYLACJAto proces polegający na przeprowadzeniu w stan pary i ponownym skropleniujednego lub kilku składników mieszaniny ciekłej w celu ich rozdzielenia lub oczyszczenia.

Równowaga destylacyjna określa zależność między składem cieczy i pary będącej z tą ciecząw stanie równowagi termodynamicznej. Sposób wyrażenia równowagi zależy od własnościroztworów. W roztworach idealnych cząsteczki każdego ze składników zachowują sięniezależnie od innych cząsteczek.

W przypadku układów doskonałych ciśnienie cząstkowe pary składnika nad roztworem jestokreślane prawem Raoulta: Pi = P~ . Xl

Pl - ciśnienie cząstkowe pary składnika 1 w fazie gazowej*Pl - ciśnienie pary nad czystym składnikiem 1

Xl - ułamek molowy składnika 1 w roztworze ciekłym

Podobną zależność możemy podać dla drugiego składnika. Jeżeli przez Po oznaczymy ciśnieniew fazie parowej, to zgodnie z prawem Daltona otrzymamy: Pl + P2 = Po

Skład fazy parowej określamy na podstawie znajomych ciśnień cząstkowych:

Pl PlYI = -

Pl + pz Popz pz

yz = -Pl + pz Po

Zgodnie z własnościami roztworów idealnych spełnione są zależności:

Yl + Y2 = 1 ~'b+ęz'en:e ,90..l.1A

Zależność między ciśnieniami i składem roztworu dla mieszanin idealnych przedstawia wykres

L----?ł'P"

11X - 6 kb.oIn;\(

A8

Lotność składnika (~) to iloraz ciśnienia cząstkowego pary składnika nad roztworem doułamka molowego tego składnika w cieczy. W przypadku czystych cieczy lotność jestsynonimem ciśnienia pary. Przez lotność względną (a) dwóch składników rozumiemy ilorazlotności składników. Jest ona miarą rozdzielczości danej mieszaniny w procesie destylacji.

Pl IxPl + P2 1

P2 IxPl + P2 2

131a=

132

Równowagę destylacyjną można przedstawić w postaci zależności temperaturyrównowagowej procesu od składu mieszaniny pod stałym ciśnieniem. Typowy wykres izobaryprzedstawia rysunek.

o

Destylacja równowagowa

Załóżmy, że dwuskładnikowa mieszanina ciekła zawierająca Xl składnika bardziej lotnego jestodparowywana w zamkniętym zbiorniku tak, aby ciśnienie pary nad roztworem było stałe.W stanie równowagi, kiedy zostanie ustalona temperatura t procesu, faza gazowa i faza ciekłabędą zawierać składnik bardzo lotny o stężeniu odpowiednio y i x.

Tak realizowany proces destylacji nazywamy destylacją równowagową. W wybranejtemperaturze destylacji t ilość cieczy i ilość pary pozostające ze sobą w równowadze sąokreślane z ilorazu długości odcinków SD i WS.

Ilość pary SDilość cieczy Wc.;

. . ....

ł S·Xo

Bilans materiałowy procesu zachodzącego w instalacji (rysunek) jest następujący:

S=W+D

SXo = Wxxw + DyYD

Miarą ilości cieczy odparowanej w procesie jest stopień oddestylowania Zd definiowany jakoiloraz ilości destylatu D do surówki S.

Destylacja różniczkowa

Załóżmy, że proces destylacji prowadzimy w ten sposób, że pary otrzymane w trakciepodgrzewania mieszaniny surowej o składzie Xo usuwane są znad roztworu. W każdymmomencie trwania procesu skład par (zmiana składu cieczy) będzie inny.

x (.q

Tak prowadzony proces to destylacja różniczkowa. Skład cieczy pozostającej w kotlew dowolnym momencie zatrzymania destylacji może być określony z równania Rayleigha,wyprowadzonego z równania bilansu składnika. Niech l będzie ilością cieczy pozostającąw danej chwili w aparacie. Po oddestylowaniu różniczkowej ilości cieczy Dl w kotle pozostaniel - dl cieczy i dl pary. Bilans materiałowy składnika bardziej lotnego ma postać:

l· x = (l - dl) . (x - dx) + dl (y + dy)

Odrzucając w bilansie składniki zawierające różniczki drugiego rzędu jako małe w porównaniuz pozostałymi i rozdzielając zmienne otrzymamy:

dL dxL y-x

Jeżeli założymy, że w początkowym momencie było S cieczy poddawanej destylacji o składzieXd, a na końcu Woskładzie xw, to po scałkowaniu równania poprzedniego otrzymamy:

W jXW_dX.ln-=S Xd y - X

REAKTORY CHEMICZNE

Reakcja chemiczna może zachodzić w układach:

• jednofazowych (reakcja homogeniczna)• wielofazowych (reakcja heterogeniczna)

W przypadku reakcji heterofazowych reakcja zachodzi albo między dwoma płynami (gaz-cieczlub ciecz-ciecz) albo między płynem a ciałem stałym.

Szybkość reakcji chemicznej (zgodnie z prawem działania mas Guldberga i Waagego) jestproporcjonalna do mas czystych reagentów.

20

---------

Dla reakcji jednofazowych szybkość reakcji definiujemy liczbą przereagowanych molisubstratu w jednostce czasu i w jednostce objętości:

1dnArA = - ---

V dt

rA- szybkość reakcji chemicznej liczona względem substratu A

V - objętość układu

nA+Iiczba moli składnika A

Dla reakcji: A + B = C + D szybkość możemy określić równaniem kinetycznym:

rA = k· c1· C~

Stała k występująca w tym równaniu nosi nazwę stałej szybkości reakcji chemicznej.Jest ona funkcją (TYLKO!) temperatury.

k = A . exp ( - :T)E- energia aktywacji

A - współczynnik częstości

Sumę wykładników potęg w równaniu kinetycznym określamy jako rząd reakcji chemicznej.

W obliczeniach kinetycznych i przy projektowaniu reaktorów chemicznych wygodnieposługując się stopniem przemiany a zdefiniowanym jako ułamek ogólnej przereagowanejliczby moli danego składnika.

Dla składnika A można zapisać:

nA = nAO. (1- a)

równanie kinetyczne:

nAOda darA=--=CAO-

V dr da

nAD- początkowa liczba moli składnika A

CAD - początkowe stężenie składnika A

211