ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΩΝ Separation Processes. Associate. Prof. M. Krokida School of Chemical Engineering National Technical University of Athens

Transcript

1 ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΩΝ Separation Processes Associate. Prof. M. Krokida School of Chemical Engineering National Technical University of Athens

2 Διεργασίες Διαχωρισμών Ορισμός Φυσικές διεργασίες οι οποίες μετατρέπουν ένα μίγμα δύο ή περισσότερων συστατικών σε δύο ή περισσότερα προϊόντα, τα οποία διαφέρουν ως προς τη σύσταση Παραδείγματα Μίγμα προς διαχωρισμό Διεργασία Διαχωρισμού Προϊόν 1 Προϊόν 2... Προϊόν Ν-1 Παραλαβή πεντανίου και εξανίου καθαρότητας > 99% από ισομοριακό μίγμα τους Προϊόν Ν Παραλαβή αλατιού από το θαλασσινό νερό Παραλαβή τοματοπολτού από ντομάτα

3 Η Θέση των Διαχωρισμών στις Βιομηχανικές Διεργασίες Βασικές Διεργασίες (Key operations) Προκαλούν μεταβολές στη χημική σύνθεση Μοναδικές στη Χημική Μηχανική Είδη Χημικές αντιδράσεις Διαχωρισμοί μιγμάτων Βοηθητικές Διεργασίες (Auxiliary operations) Δεν προκαλούν μεταβολές στη χημική σύνθεση Σχεδιάζονται και από άλλους μηχανικούς (π.χ. Μηχανολόγους) Παραδείγματα Μεταφορά θερμότητας Προσθήκη έργου Ανάμιξη ρευμάτων

4 Η Σημασία των Διαχωρισμών στο Σχεδιασμό Χημικών Βιομηχανιών Τυπική Βιομηχανική Μονάδα Παραπροϊόντα Αντιδραστήρας Διαχωριστήρας Ένας Χημικός Αντιδραστήρας που περιβάλλεται από Συσκευές Διαχωρισμού Πρώτες Ύλες Διαχωριστήρες Ανακύκλωση Διαχωρισμός και Εξευγενισμός Προϊόντα Οι πρώτες ύλες καθαρίζονται σε συσκευές διαχωρισμού πριν τροφοδοτηθούν στο Χημικό Αντιδραστήρα Το μέρος της τροφοδοσία που δεν έχει αντιδράσει διαχωρίζεται από τα προϊόντα και ανακυκλώνεται Τα προϊόντα διαχωρίζονται και εξευγενίζονται πριν διατεθούν στην αγορά

5 Η Σημασία των Διαχωρισμών στο Σχεδιασμό Προϊόντων Εκτός από μονάδες οι Χημικοί Μηχανικοί Σχεδιάζουν και Προϊόντα Πολλά καταναλωτικά προϊόντα αποσκοπούν στο διαχωρισμό ενός μίγματος Παράδειγμα Η μηχανή του espresso Το ζητούμενο είναι η απόσπαση από τους κόκκους του καφέ των αιθέριων ελαίων, αφήνοντας πίσω τα συστατικά που είναι υπεύθυνα για την οξύτητα και την πικρία Η μηχανή του espresso επιτυγχάνει το διαχωρισμό γρήγορα με νερό υψηλής πίεσης και θερμοκρασίας Περίπου 25% του καφέ εξάγεται ενώ ταυτόχρονα ο espresso περιέχει λιγότερη καφεΐνη από τον καφέ φίλτρου

6 Μηχανισμοί Διαχωρισμών Διαχωρισμοί Βασίζονται στις διαφορετικές φυσικές ιδιότητες των συστατικών και τη χρήση κατάλληλης μηχανικής διάταξης για την εκμετάλλευσή τους Μηχανικοί Διαχωρισμοί Φυσικοί Διαχωρισμοί Βασίζονται στη μεταφορά μάζας μεταξύ διαφορετικών φάσεων Συμμετέχουν δύο ή περισσότερες φάσεις και η μεταφορά μάζας γίνεται μεταξύ αυτών για την επίτευξη ισορροπίας Διαχωρισμοί Ισορροπίας Διαχωρισμοί Ρυθμού Μεταφοράς Μάζας Συμμετέχει μία μόνο φάση και το προϊόν δημιουργείται λόγω της επίδρασης των ρυθμών διάχυσης

7 Μηχανισμοί Διαχωρισμών Μηχανικοί Διαχωρισμοί Βασίζονται στις διαφορετικές φυσικές ιδιότητες των συστατικών και τη χρήση κατάλληλης μηχανικής διάταξης για την εκμετάλλευσή τους Φυσικοί Διαχωρισμοί Βασίζονται στη μεταφορά μάζας μεταξύ διαφορετικών φάσεων Παραδείγματα Ισοδύναμη διάμετρος -> κοσκίνισμα Ειδικό βάρος -> καθίζηση Μαγνητικές ιδιότητες -> μαγνητικοί διαχωριστήρες Παραδείγματα Μεταφορά διαλύτη από διάλυμα στην ατμώδη φάση -> εξάτμιση Μεταφορά υγρασίας από στερεό στην αέρια φάση -> ξήρανση Μεταφορά πτητικού συστατικού από υγρή στην ατμώδη φάση -> απόσταξη

8 Είδη Φυσικών Διαχωρισμών 1/2 Με Δημιουργία Φάσης Δημιουργία δεύτερη φάσης διαφορετικής σύστασης Ενεργειακός Παράγοντας Διαχωρισμού (Energy Separating Agent ESA) ως θερμότητα, έργο, μεταβολή πίεσης Τυπικές διεργασίες Εξάτμιση Εξάχνωση Απόσταξη Με Προσθήκη Φάσης Προσθήκη ουσίας που διαλύει επιλεκτικά τα συστατικά της τροφοδοσίας Μαζικός Παράγοντας Διαχωρισμού (Mass Separating Agent ESA) Τυπικές διεργασίες Απορρόφηση αερίων Εκχύλιση υγρού - υγρού Φάση 1 Φάση 1 Τροφοδοσία Δημιουργία Φάσης Τροφοδοσία ESA Φάση 2 MSA Φάση 2

9 Είδη Φυσικών Διαχωρισμών 2/2 Με Εμπόδιο (Barrier) Χρήση εμποδίου που περιορίζει τη μεταφορά ενός συστατικού σε σχέση με τα άλλα Ως εμπόδια χρησιμοποιούνται ημιπερατές μεβράνες Τυπικές διεργασίες Αντίστροφη ώσμωση Μικροδιήθηση Φάση 1 Τροφοδοσία Εμπόδιο Φάση 2

10 Η Έννοια της Ισορροπίας Φάσεων Το υγρό συνεχώς εξατμίζεται ενώ οι ατμοί συμπυκνώνονται Στην κατάσταση ισορροπίας: Οι θερμοκρασίες, οι πιέσεις και οι συγκεντρώσεις των δύο φάσεων δε μεταβάλλονται Ο ρυθμός εξάτμισης της υγρής φάσης είναι ίσος με το ρυθμό συμπύκνωσης της αέριας Θερμική ισορροπία T liquid T vapor Μηχανική ισορροπία p liquid p vapor Χημική ισορροπία A, liquid A, vapor υπάρχει μια σχέση μεταξύ της σύστασης των ατμών (y A ) και της σύστασης του υγρού (x A )

11 Μεταφορά Μάζας με Μοριακή Διάχυση Μεταφορά μάζας που οφείλεται στη διαφορά συγκέντρωσης χωρίς μακροσκοπική κίνηση του ρευστού (π.χ. χωρίς ανάδευση) Νόμος του Fick Συνδέει το ρυθμό διάχυσης με τη βαθμίδα συγκέντρωσης NA DAB dz N A : Γραμμομοριακός ρυθμός διάχυσης του συστατικού Α (mole/m 2 s) D AB : Συντελεστής διάχυσης του Α στο μίγμα Α+Β (m 2 /s) c : Γραμμομοριακή συγκέντρωση του Α (mole/m 3 ) dc Ο συντελεστής διάχυσης μεταβάλλεται: Λογαριθμικά από τη θερμοκρασία: Αντίστροφα από την πίεση dln D 2 dt RT PD σταθερό

12 Μεταφορά Μάζας Μεταξύ Φάσεων Παραδείγματα Μεταφορά από Αέρια σε Υγρή φάση (απορρόφηση αερίων, απόσταξη Μεταφορά από Υγρή σε Υγρή φάση (εκχύλιση υγρού) Μεταφορά από Στερεά σε Αέρια φάση (ξήρανση) Μεταφορά από Στερεά σε Υγρή φάση(εκχύλιση) Εξαρτάται από το βαθμό στο οποίο το σύστημα βρίσκεται μακριά από τις συνθήκες ισορροπίας Δυναμικό μεταφοράς Φάση Ι Αέρια Φάση (Ι) Υγρή Φάση p A p * A I Αέρας + Αμμωνία (A) p A p A Μεταφορά από Ι σε ΙΙ Λ Ισορροπία c * A c A II Νερό + Αμμωνία (A) c A p * A Μεταφορά από ΙΙ σε Ι c A c * A Φάση ΙΙ

13 Συντελεστές Μεταφοράς Μάζας Με βάση την αέρια φάση N K p p * A G A A Με βάση την υγρή φάση N K c c * A L A A N A : Γραμμομοριακός ρυθμός μεταφοράς του συστατικού Α (mole/m 2 s) K G : Συντελεστής μεταφοράς μάζας με βάση την αέρια φάση (mole/m 2 s Pa) K L : Συντελεστής μεταφοράς μάζας με βάση την υγρή φάση (m/s)

14 Παράγοντας Διαχωρισμού Χαρακτηριστική ιδιότητα του συστήματος η οποία καθιστά εφικτό τον διαχωρισμό. Παραδείγματα Η εκλεκτική διαλυτότητα ενός αερίου για διάλυσή του σε συγκεκριμένο διαλύτη σε σημαντικά μεγαλύτερη αναλογία σε σχέση με τα υπόλοιπα συστατικά ενός αερίου μίγματος -> απορρόφηση αερίου Η σχετική πτητικότητα των συστατικών ενός μίγματος υγρών -> απόσταξη Η εκλεκτική διαλυτότητα ενός υγρού για διάλυσή του σε συγκεκριμένο διαλύτη σε σημαντικά μεγαλύτερη αναλογία σε σχέση με τα υπόλοιπα συστατικά ενός υγρού μίγματος -> εκχύλιση

15 P P A E Pi Ci Pi B Στρώμα αερίου C Στρώμα υγρού Pe C Ci Ce Παραδοχές: - οι αντιστάσεις στη διάχυση είναι σημαντικές στα δυο λεπτά στρώματα - αμελητέα αντίσταση στη διεπιφάνεια - δεν υπάρχει συσσώρευση μάζας στη διεπιφάνεια - ρυθμός μεταφοράς ~ της απομάκρυνσης από την ισορροπία

16 Παράγοντας Διαχωρισμού Χαρακτηριστική ιδιότητα του συστήματος η οποία καθιστά εφικτό τον διαχωρισμό. Παραδείγματα Η εκλεκτική διαλυτότητα ενός αερίου για διάλυσή του σε συγκεκριμένο διαλύτη σε σημαντικά μεγαλύτερη αναλογία σε σχέση με τα υπόλοιπα συστατικά ενός αερίου μίγματος -> απορρόφηση αερίου Η σχετική πτητικότητα των συστατικών ενός μίγματος υγρών -> απόσταξη Η εκλεκτική διαλυτότητα ενός υγρού για διάλυσή του σε συγκεκριμένο διαλύτη σε σημαντικά μεγαλύτερη αναλογία σε σχέση με τα υπόλοιπα συστατικά ενός υγρού μίγματος -> εκχύλιση

17 Απόσταξη Διεργασία διαχωρισμού ενός μίγματος κατά την επίτευξη καλής επαφής (προς επίτευξη ισορροπίας) της υγρής φάσης που κατέρχεται σε μία στήλη με τους ατμούς που ανέρχονται κατ αντιρροή. Με τον τρόπο αυτό τα πτητικά συστατικά αυξάνονται κατά την κατεύθυνση ροής των ατμών και τα λιγότερο πτητικά κατά την κατεύθυνση ροής το υγρού. Βασίζεται στην ισορροπία ατμών υγρού. Το χαρακτηριστικό μέγεθος που καθορίζει την ευκολία διαχωρισμού ενός μίγματος είναι η σχετική πτητικότητα. Η απόσταξη ισορροπίας αποτελεί ειδική περίπτωση της απόσταξης η οποία πραγματοποιείται σε ένα μόνο στάδιο ισορροπίας.

18 Απορρόφηση αερίων Διεργασία διαχωρισμού ενός μίγματος αερίων κατά την επαφή του με ένα υγρό, το οποίο διαλύει ένα ή περισσότερα συστατικά του μίγματος. Βασίζεται στην ισορροπία αερίου υγρού. Το χαρακτηριστικό μέγεθος που καθορίζει την ευκολία διαχωρισμού ενός αερίου μίγματος είναι η διαλυτότητα των αερίων του μίγματος στον διαλύτη για τη θερμοκρασία και πίεση λειτουργίας.

19 Εκχύλιση Διεργασία διαχωρισμού μιας διαλυμένης ουσίας με επαφή και μεταφορά μάζας σε ένα διαλύτη. Κατά την Εκχύλιση Υγρών ο διαχωρισμός λαμβάνει χώρα μεταξύ δύο αδιάλυτων ή μερικώς διαλυτών υγρών φάσεων. Βασίζεται στην ισορροπία υγρού υγρού. Κατά την Εκχύλιση Στερεών η διαλυτή ουσία μεταφέρεται από ένα αδρανές στερεό στο διαλύτη. Βασίζεται στην ισορροπία στερεού υγρού. Και στις δύο περιπτώσεις το χαρακτηριστικό μέγεθος που καθορίζει την ευκολία διαχωρισμού είναι η διαλυτότητα της ουσίας προς ανάκτηση στο διαλύτη.

20 Κρυστάλλωση Διεργασία διαχωρισμού ενός ή περισσοτέρων διαλυμένων στερεών από ένα διάλυμα όταν αυτό καθίσταται υπέρκορο, είτε λόγω ελάττωσης της ποσότητας του διαλύτη λόγω εξάτμισής του ή λόγω ελάττωσης της διαλυτότητας της ουσίας λόγω ψύξης του διαλύματος (ή και λόγω προσθήκης άλλων ουσιών).

21 Διαχωρισμοί με μεμβράνες Είναι η διεργασία διαχωρισμού μιγμάτων υγρών ή αερίων συστατικών λόγω της διαφορετικής ταχύτητας διάχυσής μέσω ημιπερατών μεμβρανών, που λαμβάνει χώρα στην περιοχή των 0,1 μm, στην οποία απαντώνται τα κολλοειδή, μόρια και ιόντα.

22 Παράδειγμα φυσικού διαχωρισμού 1 Να εξεταστεί ο διαχωρισμός μίγματος εξανίου οκτανίου Πρόκειται για δύο κορεσμένους υδρογονάνθρακες με διαφορετικά σημεία ζέσης που διαλύονται μεταξύ τους σε οποιαδήποτε αναλογία δίνοντας ομογενή, σχεδόν ιδανικά, υγρά διαλύματα και δεν παρουσιάζουν αζεότροπο σημείο. Η σχετική πτητικότητα τους είναι περίπου σταθερή σε ολόκληρο το εύρος των μοριακών κλασμάτων, όπως αποδεικνύεται από το διάγραμμα T x,y. Μέθοδος διαχωρισμού είναι η κλασματική απόσταξη, συνήθως σε ατμοσφαιρική πίεση, η οποία στηρίζεται στη διαφορά σχετικής πτητικότητας του μίγματος των συστατικών.

23 Παράδειγμα φυσικού διαχωρισμού 2 Να εξεταστεί η παραλαβή NaCl από υδατικό του διάλυμα. Πρόκειται για ένα κρυσταλλικό στερεό που διαλύεται στο νερό σχηματίζοντας ηλεκτρολυτικό διάλυμα. Ο διαχωρισμός του δε μπορεί να γίνει με μηχανικές μεθόδους διαχωρισμού, όπως η φυγοκέντρηση ή η διήθηση δεδομένου ότι το στερεό βρίσκεται σε μορφή ιόντων πολύ μικρών διαστάσεων. Η βασική μέθοδος παραλαβής του είναι η κρυστάλλωση από το υδατικό διάλυμα. Σημείωση 1: Προτιμάτε η τροφοδοσία των κρυσταλλωτήρων κοντά στο σημείο κορεσμού του διαλύματος για τη δεδομένη θερμοκρασία λειτουργίας. Αν το διάλυμα είναι αραιό προηγείται η συμπύκνωσή του με εξάτμιση. Επίσης συμπύκνωση μπορεί να γίνει και με αντίστροφη όσμωση (αποτελεί διεργασία διαχωρισμού με μεμβράνες). Σημείωση 2: Παραλαβή στερεού από διάλυμα μπορεί να επιτευχθεί και με τη μέθοδο της ξήρανσης με ψεκασμό (spray drying). Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται για παράδειγμα κατά την παραγωγή του γάλακτος σε σκόνη. Εν τούτοις με τη μέθοδο αυτή λαμβάνεται στερεό με σχετικά μικρό μέγεθος κρυστάλλων/σωματιδίων. Αντίθετα με την κρυστάλλωση η (ισοδύναμη) διάμετρος και κατ επέκταση το μέγεθος των σωματιδίων, μπορεί να ρυθμιστεί σε ευρύτερα όρια με κατάλληλη ρύθμιση του χρόνου παραμονής των αναπτυσσόμενων στον κρυσταλλωτήρα.

24 Παράδειγμα φυσικού διαχωρισμού 3 Απομάκρυνση CO 2 από το αέριο σύνθεσης που παράγεται κατά τη διεργασία αεριοποίησης υπολειμμάτων αγροτικών προϊόντων (παραπροϊόντων). Τα βασικά (και επιθυμητά) συστατικά του αερίου σύνθεσης που παράγεται στον αντιδραστήρα αεριοποίησης είναι τα CO και H2. Για το λόγο αυτό, αν η περιεκτικότητα σε CO 2 είναι αυξημένη, το μίγμα των αερίων συστατικών οδηγείται σε στήλη απορρόφησης. Η απορρόφηση αερίων αποτελεί τη βασική μέθοδο διαχωρισμού μίγματος αερίων συστατικών με την απομάκρυση κάποιου συστατικού μέσω φυσικής ή χημικής μεταβολής. Κατά τη φυσική απορρόφηση εκμεταλλευόμαστε την εκλεκτική διάλυση του απομακρυνόμενου συστατικού σε κατάλληλα επιλεγμένο διαλύτη. Κατά την απορρόφηση με χημική αντίδραση γίνεται επιλογή διαλύτη που να αντιδρά χημικά με το αέριο συστατικό προς απομάκρυνση σχηματίζοντας ένωση που παραμένει στην υγρή φάση. Για την απομάκρυνση του CO 2 χρησιμοποιούνται διαλύματα ενώσεων της ομόλογης σειράς των αμινών, κυρίως η ΜΕΑ (μεθυλ-αιθυλ-αμίνη), η οποία αντιδρά με το CO 2. Το ποσοστό απομάκρυνσης του CO 2 καθορίζεται από τον αριθμό βαθμίδων της στήλης απορρόφησης και την παροχή τροφοδοσίας του διαλύματος αμίνης.

25 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Ernest J. Henley, J. D. Seader-Equilibrium-Stage Separation Operations in Chemical Engineering-Wiley (1981) 2. Phillip C Wankat-Separation process engineering [includes mass transfer analysis]-prentice Hall (2012) 3. ZB Maroulis, GD Saravacos, Food Process Design, Marcel Dekker, RH Perry, DW Green, JO Maloney, Perry s Chemical Engineers Handbook, 8th Edition, McGraw-Hill, McCabe, Smith, Harriott, Unit Operations of Chemical Engineering, McGraw-Hill, ZB Maroulis, GD Saravacos, Food Plant Economics, CRC Press, Coulson, Richardson s, Chemical engineering, Vol2: Unit operations (particle technology and separation processes 6th edition, Butterworth Heinemann, SM Walas, Chemical Process Equipment, Selection and Design, Butterworth-Heinemann, 1990