Είδη ΙΦΥΥ δυαδικών μιγμάτων

Transcript

1 Είδη ΙΦΥΥ δυαδικών μιγμάτων T A X 1 X 1

2 ΙΦΥΥ τριαδικών μιγμάτων Τριγωνικά διαγράμματα C P κλάσμα βάρους του B κλάσμα βάρους του C A κλάσμα βάρους του A P (20 % Α, 30 % Β και 50 % C) B

3 ΙΦΥΥ τριαδικών μιγμάτων Τριγωνικά διαγράμματα 1. P (35 % W, 47.5 % A και 17.5 % MK)

4 ΙΦΥΥ τριαδικών μιγμάτων Τριγωνικά διαγράμματα Cehrel, S.; Blgn, M,.Quaternary Lqud-Lqud Equlbrum of Water + Acetc Acd + Proponc Acd + Solvent (Amyl Alcohol, Cycloheyl Acetate, or Toluene) Systems, J. Chem. Eng. Data; (Artcle); 2004; 49(5);

5 ΙΦΥΥ τριαδικών μιγμάτων Τριγωνικά διαγράμματα Selectvty ncreases n the order: amyl alcohol < cycloheyl acetate < toluene

6 a. Νερό/αιθανόλη/βενζόλιο, b. φαινόλη/βουτυρικός εστέρας του οξικού οξέος/νερό c. κυκλοεξάνιο/βενζόλιο/νερό d. 2-βουτανόλη/βουτανόνη/νερό, e. 2-βουτανόλη/βουτανόνη/νερό, f. φαινόλη/2-προπανόλη/νερό, g. φαινόλη/2-προπανόλη/νερό

7 Υπολογισμοί ισορροπίας φάσεων υγρού-υγρού Καταστατικές εξισώσεις: Η προσέγγιση φ-φ f T,P, f T,P, T, P, P T, P P, T, P, T, P, T, P, T, P, =1,2, c c N N 1 F =1,2, c

8 Υπολογισμοί ισορροπίας φάσεων υγρού-υγρού Μοντέλα G E ή συντελεστή ενεργότητας: Η προσέγγιση γ-γ f T,P, f T,P, 0 T, P, f T, P, f 0 T, P, T, P, ή a T, P, a T, P, T, P, T, P, =1,2, c c N N 1 F =1,2, c

9 Μοντέλα G E ή συντελεστή ενεργότητας Σημείο εκκίνησης: Ecess Gbbs Energy RT Redlch Kster ln G E = 1 2 [ A + B( 1-2 ) + C( 1-2 ) 2 + D( 1-2 ) ] Van Laar Wlson UNQUAC NRTL Μοντέλο συνεισφοράς ομάδων UNFAC nt G n E T, P, njcost. ιαφορετικές παράμετροι για VLE και LLE!!!!

10 Πρόρρηση της ισορροπίας φάσεων υγρού-υγρού με το μοντέλο UNFAC

11 Ισορροπία υγρού-υγρού και ατμού-υγρού-υγρού Η βασική εξίσωση είναι: V Py ˆ f o1 L1 L1 f o2 L2 L2 Water 1 1 atm

12 Υπολογισμοί ΙΦΥΥ δυαδικού μίγματος Ζητείται ο υπολογισμός των δύο υγρών φάσεων σε ισορροπία ενός μίγματος ισοβουτανίου/φουρφουράλης στους 38 oc. Για τον υπολογισμό των συντελεστών ενεργότητας να χρησιμοποιηθεί το μοντέλο van Laar με παραμέτρους για την θερμοκρασία των 38 oc, A=2.62 και B= , 1 A ep A 1 B A ep A 1 B ep 1 A 1 B ep 1 2 B 1 2 A A 1 A Με επίλυση του συστήματος: 1 2 2

13 Υπολογισμοί ΙΦΥΥ τριαδικού μίγματος σε μία βαθμίδα Απαιτείται η απομάκρυνση ακετόνης από ένα μίγμα που περιέχει 60% κ.β. ακετόνη και 40% κ.β. νερό με εκχύλιση σε μια βαθμίδα κατ ομοροή, με διαλύτη μέθυλο-ισοβούτυλο-κετόνη (ΜΙΚ) στους 25 oc. Το διάγραμμα φάσεων του μίγματος δίνεται. Αν χρησιμοποιήσουμε 3 kg ΜΙΚ για την εκχύλιση 1kgδιαλύματος ακετόνης/νερού, ποιες θα είναι οι ποσότητες και οι συστάσεις των φάσεων σε ισορροπία; Α 1.

14 Α 1. Φάση πλούσια σε ΜΙΚ (w/w) ακετόνη (w/w) νερό (w/w) ΜΙΚ νερό

15 Φάση πλούσια σε ΜΙΚ (w/w) ακετόνη (w/w) νερό (w/w) ΜΙΚ νερό Από το ολικό ισοζύγιο μάζας: L L 4 kg ενώ από ένα μερικό ισοζύγιο, π.χ. για το νερό: L kg L L 0.9 L 0.4 kg kg Όπως είναι φανερό με αυτό τον τρόπο είναι εφικτή η απομάκρυνση του μεγαλύτερου ποσοστού της ακετόνης από το αρχικό υδατικό διάλυμα, περίπου 0.155*3.721=0.577 kg από τα αρχικά 0.6 kg ή ποσοστό 96%. Για να επιτευχθεί όμως αυτή η απομάκρυνση καταναλώθηκε μεγάλη ποσότητα MK.

16 Υπολογισμοί ΙΦΥΥ τριαδικού μίγματος σε δύο βαθμίδες Απαιτείται η απομάκρυνση ακετόνης από ένα μίγμα που περιέχει 60%κ.β. ακετόνη και 40% νερό με εκχύλιση σε δύο διαδοχικές βαθμίδες κατ ομοροή, με διαλύτη ΜΙΚ στους 25 oc. Στην πρώτη βαθμίδα χρησιμοποιούμε 1kgΜΙΚ για την εκχύλιση 1kgδιαλύματος ακετόνης/νερού. Η φάση η πλούσια σε νερό οδηγείτε στη δεύτερη βαθμίδα όπου έρχεται σε επαφή με άλλο 1 kg ΜΙΚ. Ποιες θα είναι οι ποσότητες και οι συστάσεις των φάσεων σε ισορροπία στην έξοδο της δεύτερης βαθμιδας; Β 1. Γ

17 Υπολογισμοί ΙΦΥΥ τριαδικού μίγματος σε δύο βαθμίδες Η ολική σύσταση του αρχικού μίγματος που εισέρχεται στην πρώτη βαθμίδα είναι 0.5 w/w ΜΙΚ, 0.3 w/w ακετόνη και 0.2 w/w νερό (σημείο Β στο Σχήμα) Οι συστάσεις των δύο φάσεων στην ισορροπία που προκύπτουν είναι: Φάση πλούσια σε ΜΙΚ (w/w) ακετόνη (w/w) νερό (w/w) ΜΙΚ νερό Β kg. Από την επίλυση του συστήματος των ισοζυγίων: L 1.59 kg L 0.41 kg Β 1. Γ

18 Υπολογισμοί ΙΦΥΥ τριαδικού μίγματος σε δύο βαθμίδες Η τροφοδοσία της δεύτερης βαθμίδας θα είναι: ΜΙΚ: *0.41=1.008 kg, ακετόνη: 0.23*0.41=0.094 kg και νερό: 0.75*0.41=0.308 kg. Επομένως, η ολική σύσταση της τροφοδοσίας στη δεύτερη βαθμίδα θα είναι: w/w ΜΙΚ, w/w ακετόνη και w/w νερό (σημείο Γ στο Σχήμα) Οι συστάσεις των δύο φάσεων στην ισορροπία είναι: Φάση πλούσια σε ΜΙΚ (w/w) ακετόνη (w/w) νερό (w/w) ΜΙΚ νερό Από την επίλυση του συστήματος των ισοζυγίων: L L kg 1. Γ Γ Ανάκτηση, συνολικά περίπου kg ακετόνης ή ποσοστό κ.β. περίπου 99% με χρήση μόνο 2 kg ΜΙΚ.

19 Υπολογισμός Θεωρητικών Βαθμίδων Εκχύλισης Τροφοδοσία Α+C F, C,F Eκχύλισμα Β+C Ε, C,E Φάση υπολειμματος C Φάση εκχυλίσματος Υπόλειμμα Α+C ιαλύτης Β R, C,R S, C,S Στήλη εκχύλισης κατ αντιροή

20 Υπολογισμός Θεωρητικών Βαθμίδων Εκχύλισης Μέθοδος 1 Για να εφαρμοστεί η μέθοδος που περιγράφεται στη συνέχεια, θα πρέπει να ισχύουν οι παρακάτω παραδοχές: Α. Οι ουσίες Α και Β να είναι πρακτικά αδιάλυτες μεταξύ τους Β. Οι ροές των ρευμάτων του εκχυλίσματος και του υπολείμματος να είναι πρακτικά σταθερές (όταν π.χ. η περιεκτικότητα της προς εκχύλιση ουσίας στην τροφοδοσία είναι μικρή) Η πορεία που ακολουθείται είναι η εξής 1.Χρησιμοποιώντας πειραματικά δεδομένα ή κάποιο θερμοδυναμικό μοντέλο κατασκευάζουμε την καμπύλη ισορροπίας (συγκέντρωση της προς εκχύλιση ουσίας στο εκχύλισμα συναρτήσει της συγκέντρωσης της στο υπόλειμμα) για το υπό εξέταση σύστημα. 2.Σχεδιάζουμε την γραμμή λειτουργίας της στήλης εκχύλισης. Η γραμμή λειτουργίας καθορίζεται από το ισοζύγιο μάζας στη στήλη.

21 Υπολογισμός Θεωρητικών Βαθμίδων Εκχύλισης C,F F C,S S C,R R C, E Με βάση την παραδοχή F=R και S=E E CE,ma καμπύλη ισορροπίας L γραμμή λειτουργίας C,E C,S F S ( C,F C, R ) CE καμπύλη ισορροπίας CS K =F/S =F/S mn CE 1 γραμμή λειτουργίας CR CF 2 S F Real 1.5* S F Mn 3 CS CR, απαιτ. CF CR

22 Υπολογισμός Θεωρητικών Βαθμίδων Εκχύλισης Αν ο συντελεστής κατανομής (Κ) της προς εκχύλιση ουσίας (C) στις δύο φάσεις (A και Β) είναι σταθερός, τότε ο αριθμός των θεωρητικών βαθμίδων (ΝΤS) μπορεί να υπολογισθεί από την εξίσωση Kremser: NTS 1 1 ln 1 ln CF CR CS CS m m K E R R E m=k, κλίση της γραμμής ισοροπίας, ε= K*S/F, παράγοντας εκχύλισης

23 Υπολογισμός Θεωρητικών Βαθμίδων Εκχύλισης Μέθοδος 2 Σε πραγματικές διεργασίες εκχύλισης οι διαλύτες που χρησιμοποιούνται (διαλύτης τροφοδοσίας Α και διαλύτης εκχύλισης Β) είναι συχνά μερικώς αναμίξιμοι. Στις περιπτώσεις αυτές, οι δύο φάσεις που σχηματίζονται μετά την ανάμιξη των ρευμάτων τροφοδοσίας, δηλαδή η φάση του εκχυλίσματος και η φάση του υπολείμματος, περιέχουν ποσότητες και από τα τρία συστατικά (Α, Β και C) και ο υπολογισμός των θεωρητικών βαθμίδων απαιτεί τη γνώση της ισορροπίας φάσεων του τριαδικού συστήματος Α/Β/C

24 Υπολογισμός Θεωρητικών Βαθμίδων Εκχύλισης C C Σημειώνεται η σύσταση του ρεύματος τροφοδοσίας (σημείο F), του ρεύματος του διαλύτη (σημείο S), η ζητούμενη σύσταση του εκχυλίσματος (σημείο E) και η σύσταση του υπολείμματος (σημείο R). F B Η ευθεία που ενώνει τα σημεία S και R είναι η γραμμή λειτουργίας. R 1 E=E 1 R 2 R 3 R E 2 E3 A S B P Α

25 Υπολογισμός Θεωρητικών Βαθμίδων Εκχύλισης C F C B Προσδιορίζεται το λεγόμενο "σημείο λειτουργίας (P),ως η τομή των προεκτάσεων των ευθειών ΕF και SR. R 1 E=E 1 R 2 R 3 R E 2 E3 A S B P Α

26 Υπολογισμός Θεωρητικών Βαθμίδων Εκχύλισης C F R 1 C E=E 1 B Ακολουθώντας την γραμμή σύνδεσης από το σημείο Ε προς την άλλη μεριά της καμπύλης ισορροπίας (φάση υπολείμματος), προσδιορίζεται η σύσταση της φάσης (R1) που βρίσκεται σε ισορροπία με το εκχύλισμα (E1). Η γραμμή FER1 αποτελεί ένα στάδιο εκχύλισης. R 2 R 3 R E 2 E3 A S B P Α

27 Υπολογισμός Θεωρητικών Βαθμίδων Εκχύλισης A R 2 R R 3 F R 1 C C Α E=E 1 B E 2 E3 S B Στη συνέχεια σχεδιάζεται η ευθεία που ενώνει το σημείο λειτουργίας Ρ με το σημείο R1 ηοποίατέμνει την καμπύλης ισορροπίας στην πλευρά του εκχυλίσματος στο σημείο Ε2 το οποίο αποτελεί ένα ενδιάμεσο εκχύλισμα. Προσδιορίζεται η σύσταση της φάσης R2 που βρίσκεται σε ισορροπία με το εκχύλισμα E2 ακολουθώντας την γραμμή σύνδεσης Ε2R2. Η γραμμή R1E2R2 αποτελεί τo δεύτερο στάδιο εκχύλισης. P