ΥΤΙΚΕ ΔΙΕΡΓΑΙΕ ΜΕΣΑΥΟΡΑ ΜΑΖΑ. -Απορρόφηση - Απόσταξη - Εκχύλιση - Κρυστάλλωση - Ξήρανση

Transcript

1 ΥΤΙΚΕ ΔΙΕΡΓΑΙΕ ΜΕΣΑΥΟΡΑ ΜΑΖΑ -Απορρόφηση - Απόσταξη - Εκχύλιση - Κρυστάλλωση - Ξήρανση

2 Απορρόφηση αερίων φυσική και χημική Παραδείγματα βιομηχανικών εφαρμογών ) Απορρόφηση SΟ 3 κατά την παραγωγή θειικού οξέος. ) Απορρόφηση HCl κατά την παραγωγή υδροχλωρικού οξέος. 3) Απορρόφηση οξειδίων του αζώτου κατά την παραγωγή νιτρικού οξέος. 4] Απορρόφηση ενώσεων του φθορίου κατά την παραγωγή λιπασμάτων. 5) Απορρόφηση ατμών των υδρογονανθράκων από τα αέρια επεξεργασίας πετρελαίου. 6) Απορρόφηση ΝΗ 3,CO,H S κατά την αεριοποίηση των γαιανθράκων 7) Καθαρισμός καυσαερίων από το SO. 8) Απορρόφηση O στα υδατικά διαλύματα κατά τις αερόβιες ζυμώσεις και το βιολογικό καθαρισμό. υνδυασμός της απορροφήσεως και εκροφήσεως επιτρέπει την ανάκτηση του αερίου και την πολλαπλή χρησιμοποίηση του απορροφητικού.

3 Ισορροπία αερίων-υγρών Ισορροπία=f(P,T,C και ιδιοτήτων αερίου και ρευστού) Κανόνας φάσεων Gibbs: f + π = c + f = βαθμός ελευθερίας του συστήματος π = αριθμός φάσεων c = αριθμός συστατικών π= και c=3 F=3 P t =const εάν P Ae = f(x A ) T=const

4 ιδανικά διαλύματα: νόμος Raoult πραγματικά διαλύματα: νόμος Henr A 0 A Ae X P P Henr Dalton ή A A Ae P H X m=συντελεστής κατανομής A A A t Ae A A t A Ae Y m Y H P X X m X P H Y A A Ae X H P A t A Y P P A A Ae X H P [αραιά διαλύματα]

5 διαγράμματα διαλυτότητας αερίων Νόμος Henr : P=f(X A ) Y A =f(x A ) /H=f(T) P A =f(λόγου αερίου/υγρού)

6 διαλυτότητα : πίεση ή Η q ln(h) R T C T H q - διαφορική θερμότητα διαλύσεως αερίου C - σταθερά εξαρτώμενη από τη φύση του αερίου R παγκόσμια σταθερά αερίων. Πολύ διαλυτό αέριο η αντίσταση στην αέρια φάση. Ενδιάμεση περίπτωση 3. Λίγο διαλυτό αέριο η αντίσταση στην υγρή φάση Καμπύλες ισορροπίας Y e =f(x) πυκνών διαλυμάτων

7 Βιομηχανικοί διαλύτες κριτήρια επιλογής Πξνυπνζέζεηο ηδαληθνχ βηνκεραληθνχ δηαιχηε : Να έρεη κεγάιν ξπζκφ απνξξφθεζεο. Να παξνπζηάδεη ηθαλνπνηεηηθέο ζπλζήθεο κεηαθνξάο ζεξκφηεηαο. Να κελ είλαη πηεηηθφο, ηνμηθφο, δηαβξσηηθφο θαη αλαθιέμκνο. Να έρεη ρακειφ θφζηνο. Να έρεη ρακειφ ημψδεο, ψζηε λα επηηπγράλνληαη κηθξή πηψζε πηέζεσο θαηά ηελ άληιεζε ηνπ. Περισσότερο διαδεδομένοι διαλύτες στη χημική βιομηχανία : νερό τα διαλύματα αμινών τα διαλύματα αλκαλίων τα ορυκτέλαια.

8 Διεργασίες μεταφορά μάζας : η κινητήρια δύναμη (Δc, ΔY, ΔX, ΔP) μεταβάλλεται συνεχώς κατά μήκος της συσκευής. Η μεταβολή της κινητήριας δύναμης εξαρτάται : - Από τον τρόπο επαφής των φάσεων (διαφορική ή κατά βαθμίδες). - Από τον τρόπο ροής των φάσεων (ομορροή ή αντιρροή). - Από την καμπυλότητα των γραμμών ισορροπίας και λειτουργίας.

9 ΑΡΦΕ ΦΕΔΙΑΜΟΤ ΤΚΕΤΩΝ ΑΠΟΡΡΟΥΗΗ Λειτουργία συσκευών με - μεταφορά μάζας σε βαθμίδες ισορροπίας - διαφορική (συνεχή) μεταφορά μάζας, : μοριακά κλάσματα του υπό κατανομή συστατικού στις φάσεις Υ Y και Υ X. η συνάρτηση = f() καλείται γραμμή λειτουργίας

10 διεργασίες μεταφοράς μάζας κατά βαθμίδες ισορροπίας μία βαθμίδα ισορροπίας : κατά ομορροή απορρόφηση L, G : moles ή kmoles/m sec

11 Ε = βαθμός απόδοσης ep ep ΚΡ ΚΠ E G L - θιίζε αραιά μίγματα L=L =L, G=G =G G( - ) = L( - ) = -L( - ) μερικά ισοζύγια μάζας L +G =L +G =L +G μια βαθμίδα ομορροή γραμμή λειτουργίας ΚΠ L G L G L -

12 πυκνά μίγματα L L L, G G G G =ροή αδρανούς αερίου L =ροή καθαρού διαλύτη π.χ. αέριο μίγμα Α/Β molesa molesa molesb Y molesa molesb Y X - Y Y X X G =G (- )=G (- )=G(-) L =L (- )=L (- )=L(-) μερικά ισοζύγια μάζας : G Y +L X =G Y +L X G Y +L X =G Y+L X L LX GY Y - X G L

13 πυκνά μίγματα : αλλαγή αξόνων σε Φ, Τ αραιά μίγματα G( - )=L( - )=-L( - ) G(- )=L( -)=-L(- ) πυκνά μίγματα G (Y -Y )= L (X -X )=-L (X -X ) G (Y-Y )=L (X -X)=-L (X-X ) - L G κλίση γραμμής λειτουργίας - L G Y X Y X

14 =f() Y=f(X) κατά ομορροή απορόφηση αραιών μιγμάτων κατά ομορροή απορόφηση πυκνών μιγμάτων

15 =f() Y=f(X) κατά ομορροή εκρόφηση αραιών μιγμάτων κατά ομορροή εκρόφηση πυκνών μιγμάτων

16 στήλες με βαθμίδες ισορροπίας : κατά αντιρροή απορρόφηση n =ροή εξόδου (n+) ή (n-)= ροή εισόδου

17 μερικά ισοζύγια μάζας L +G =L +G L +G =L +G αραιά μίγματα L=L =L, G=G =G L G G L G γραμμή λειτουργίας ΚΠ θιίζε L G πυκνά μίγματα Y X - L X +G Y =L Y +G Y L X +G Y=L X+G Y L GY LX X G G Y γραμμή λειτουργίας ΚΠ θιίζε L G

18 γραμμή ισορροπίας γραμμή λειτουργίας Henr

19 Mc Cabe Thiele : γραφική απεικόνιση στήλης Ν βαθμίδων N N σύσταση στην έξοδο των δίσκων N N+ σύσταση ενδιαμέσως των δίσκων N+ N- σύσταση τροφοδοσίας των δίσκων

20 συστάσεις n n+ ενδιαμέσως των δίσκων n n στην έξοδο των δίσκων n+ n- τροφοδοσίας των δίσκων

21 γραμμή λειτουργίας ελάχιστος λόγος ροής υγρού/αερίου γραφική μέθοδος Mc Cabe-Thiele G, X, X L, Y, Y δεδομένα : G, X, Y, Y - ζητούμενα: L, X (απορροή υγρού) (L/G) Y X Y X Εάν Φ =Φ (L/G)= Εάν Φ =Φ e (L/G) min Y X e Y X την πράξη : (L/G) opt =β (L/G) min.5<β<.5

22 γραμμή λειτουργίας ελάχιστος λόγος ροής υγρού/αερίου δεδομένα : G, X 0, Y, Y Ν+ - ζητούμενα: L, X Ν (απορροή υγρού) 0 () N Βαθμίδες (N) N N+ (L/G) min : N 0 (L/G) ma : N ma ma= e για (N+) στην πράξη : (L/G) opt =β (L/G) min.5<β<.5

23 Mc Cabe Thiele : υπολογισμός των θεωρητικών βαθμίδων γραφικά - Κατασκευή γραμμής ισορροπίας - Κατασκευή γραμμής λειτουργίας με κλίση (L/G) opt - χεδίαση μεταξύ αυτών των ορθογωνίων τριγώνων αρχίζοντας από την κορυφή της στήλης Κ. Ε = ολική απόδοση της στήλης Ν = αριθμός θεωρητικών βαθμίδων E N ' N 30% Ε 80% Ν = αριθμός πραγματικών βαθμίδων

24 G, X, X L, Y, Y =f() Y=f(X) κατά αντιρροή απορρόφηση πυκνών μιγμάτων

25 G, X, X L, Y, Y =f() Y=f(X) κατά αντιρροή εκρόφηση αραιών μιγμάτων κατά αντιρροή εκρόφηση πυκνών μιγμάτων

26 Επίδραση θερμοκρασίας. Μη ισόθερμη λειτουργία πύργου απορρόφησης Απορρόφηση : εξώθερμη Θερμοκρασία : Διαλυτότητα : κινητήρια δύναμη (Y -Y e ) υνεχής απομάκρυνση εκλυόμενης θερμότητας

27 Απορρόφηση πολυσύνθετων μιγμάτων π.χ. C 3, C 4, C 5 - ορυκτέλαια. ε διάγραμμα Τ-Φ κατασκευή γραμμών ισορροπίας Y e =m X.. Επιλογή του συστατικού π.χ. C 4 που διαχωρίζεται οικονομικά. 3. Βάσει των συστάσεων κατασκευάζεται η γραμμή λειτουργίας με (L/G) opt. 4. Προσδιορισμός θεωρητικών βαθμίδων (McCabe-Thiele ή Kremser) 5. Κατασκευάζονται με μέθοδο δοκιμής σφάλματος οι γραμμές λειτουργίας των υπόλοιπων συστατικών ώστε να προκύπτει ο ίδιος αριθμός θεωρητικών βαθμίδων Απορροφούνται πλήρως τα περισσότερο διαλυτά (π.χ. πεντάνιο) και μερικώς τα πτητικότερα (π.χ. προπάνιο).

28 Πύργοι με πληρωτικά υλικά δηαηάμεηο ζπλερνχο ιεηηνπξγίαο κε αληηξξνή Πχξγνο απνξξφθεζεο κε πιεξσηηθά πιηθά

29 Πύργοι με πληρωτικά υλικά Δηαηάμεηο ζπλερνχο ιεηηνπξγίαο κε αληηξξνή. Ιδαληθφ πιεξσηηθφ πιηθφ :. Να παξέρεη κεγάιε επηθάλεηα επαθήο πγξνχ/αεξίνπ.. Να δηαβξέρεηαη θαιά απφ ην πγξφ θαη λα ην θαηαλέκεη ηθαλνπνηεηηθά. 3. Να είλαη ρεκηθψο αδξαλέο σο πξνο ηα ξεπζηά (πγξφ, αέξην). 4. Να έρεη κεγάιε κεραληθή αληνρή, φρη φκσο θαη ππεξβνιηθφ βάξνο. 5. Να παξέρεη ηθαλνπνηεηηθέο ζπλζήθεο ξνήο ησλ ξεπζηψλ (ρσξίο πιεκκχξηζε ηνπ πγξνχ θαη κηθξή πηψζε πηέζεσο γηα ην αέξην). (κεγάιν πνξψδεο ε ηεο θιίλεο). 6. Να έρεη ρακειφ θφζηνο. χζηαζε πιηθψλ πιεξψζεσο Πξψηε χιε : (ρακειφ θφζηνο, ζρεηηθψο ειαθξά θαη αδξαλή πιηθά) πνξζειάλε, γξαθίηεο, θεξακηθά θαη ηα πιαζηηθά (πνιππξνππιέλην) επίζεο θαη ηα πιεξσηηθά απφ αινπκίλην θαη αλνμείδσην ράιπβα. ρήκα : αλψκαιν ή θνίιν, γηα κεγάιν πνξψδεο θιίλεο (ε > 60%).

30 Κπξηφηεξα ραξαθηεξηζηηθά πιεξσηηθψλ πιηθψλ :. Σν κέγεζνο ηνπ πιηθνχ (ζπλήζσο θπκαίλεηαη απφ /4 έσο 3 ). Σν βάξνο 3 Η εηδηθή επηθάλεηα a, ζε m /m 3. 4 Σν πνξψδεο ε. 5. Ο παξάγνληαο πιεξψζεσο C= a/ε 3 (30<C<600 m /m 3). Δηάηαμε πιεξσηηθνχ πιηθνχ ζηνλ πχξγν : - θαλνληθή - ηπραία (αθαλφληζηε) Κπξηφηεξνη ηχπνη πιεξσηηθψλ πιηθψλ: α) Δαθηχιηνη Rasching, β) δαθηχιηνη Lessing, γ) δαθηχιηνη Pall, δ) ζάγκαηα Berl, ε) ζάγκαηα Intralo.

31 δηάθνξνη ηχπνη πιεξσηηθψλ πιηθψλ

32 Μέση κινητήρια δύναμη = in = out αέρια φάση : M K FΔ K a V Δ K a S ZΔ υγρή φάση : M K FΔ K a VΔ K a SZΔ = out = in Μ: kgmole/h F:επιφάνεια επαφής, V:όγκος συσκευής, S:εγκάρσια διατομή και Z:ύψος συσκευής. Δ d Δ ή Δ Μέση κινητήρια δύναμη e Δ X X d e

33 σε ένα διαφορικό τμήμα του πύργου, ύψους dz και επιφάνειας επαφής df είναι : d S G dm ) ( K df dm e d S G ) ( K df e παροχή S G L, G : kmoles/h m M, dm : kmoles/h e e e F 0 d F K S G d S G F K d df S G K σε όλη τη συσκευή ) ( S G M Δ F K d F K M e ομοίως Δ F K d F K M e e d Δ e d Δ

34 Δ z S a K M ) ( S G M OG OG e Y N H d a K G Z Ζ = ύψος συσκευής e d Δ e OG d N a K G H Y OG (m) OL OL e X N H d a K L Z

35 Αριθμός και ύψος μονάδων μεταφοράς Chilton και Colburn : αριθμός μονάδων μεταφοράς (NOG, NOG) N OG d e N OL d e Τπολογισμός του N OG με γραφική ολοκλήρωση. Δ N OG NOG Δ

36 ύψος μονάδας μεταφοράς H OG : αέρια φάση H OL : υγρή φάση H OG G K a Y H OL L K a X ειδικός συντελεστής μεταφοράς μάζας K Y a ή K G a : αέρια φάση K X a ή K L a :υγρή φάση H, H OG OL

37 Τδραυλικές αντιστάσεις στους πύργους με πληρωτικά υλικά ολική ροή (Kg/m s) D, u G σε Kg/m s μεξφ γέκηζκα (L=0).,3 δηαβξερφκελν γέκηζκα γηα ξνέο πγξνχ L θαη L 3. (L 3 >L ) Φ ζεκείν θφξηηζεο Π ζεκείν πιεκκπξίζεσο (ή αλαζηξνθήο) Δηαγξάκκαηα πηψζεο πίεζεο (G ζε Kg/m s). ηαρχηεηα πιεκκχξηζεο u f : ηαρχηεηα επλντθήο (νηθνλνκηθήο) ιεηηνπξγίαο u : u f G ρ G ξ G : ππθλφηεηα αεξίνπ ζπλήζσο 0.5u f <u<0.8u f

38 Εθξφθεζε (ζε πχξγν εθξφθεζεο ή εμάληιεζεο) Αλάθηεζε ηνπ απνξξνθεκέλνπ αεξίνπ απφ ην δηαιχηε.. Εθηφπηζε κε αδξαλέο αέξην ή κε πδξαηκφ. Τδξαηκφο γηα εθξφθεζε αεξίσλ αδηάιπησλ ζην λεξφ. Απνκάθξπλζε πδξαηκψλ απφ ην κίγκα αεξίνπ/πδξαηκψλ ζε ζπκππθλσηήξα.. Πξφζδνζε ζεξκφηεηαο ζην απνξξνθεηηθφ. Εάλ εμαηκίδεηαη θαη φ δηαιχηεο ζε απνζηαθηηθή ζηήιε 3. Μείσζε ηεο πηέζεσο ππεξάλσ ηνπ απνξξνθεηηθνχ

39 άλλες συσκευές απορρόφησης Αλαδεπφκελα δνρεία Πχξγνη θαηαηνληζκνχ Πιπληήξηα Venturi ηήιεο δηαβξερφκελσλ ηνηρσκάησλ

40 συσκευές απορρόφησης αερίων Εμαζθαιίδνπλ - ηελ άκεζε επαθή ησλ ξεπζηψλ - κεγάιε δηθαζηθή επηθάλεηα Σαμηλφκεζε. θξηηήξην ηαμηλφκεζεο : ηξφπνο ζρεκαηηζκνχ ηεο επηθάλεηαο επαθήο. ) ζπζθεπέο επηθαλεηαθέο θαη ηχπνπ πκέλνο, ) ζπζθεπέο κε πιεξσηηθά πιηθά, 3) ζπζθεπέο κε δίζθνπο, 4) ζπζθεπέο δηαζθνξπηζκνχ. θξηηήξην ηαμηλφκεζεο : δηαζθνξπηζκφο αεξίνπ ή ην πγξνχ. ) Σηο ζπζθεπέο δηαζθνξπηζκνχ αεξίνπ. αλαδεπφκελα δνρεία αληηδξάζεσλ θαη νη ζηήιεο (δηάηξεηεο, κε θάςεο, κε βαιβίδεο). ) Σηο ζπζθεπέο δηαζθνξπηζκνχ πγξνχ (ζε ζηαγφλεο ή ζε ιεπηφ ζηξψκα). ζπζθεπέο δηαβξερφκελσλ ηνηρσκάησλ, ηα πιπληήξηα Venturi, νη πχξγνη θαηαηνληζκνχ θαη νη πχξγνη κε πιεξσηηθά πιηθά.