Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 6ο εξάμηνο

Transcript

1 Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 6ο εξάμηνο Μέρος ο : Εισαγωγικά (διαστ., πυκν., θερμ., πίεση, κτλ.) Μέρος 2 ο : Ισοζύγια μάζας Μέρος 3 ο : 9 ο μάθημα

2 Εκτός ύλης ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 2

3 Διαγράμματα φάσεων Ατμός & υγρή φάση ουσίας σε ισορροπία, τότε η πίεση ισορροπίας ονομάζεται τάση ατμών (p*) Για κάθε θερμοκρασία υπάρχει μόνο μια πίεση που βρίσκεται σε ισορροπία η υγρή και η αέρια φάση ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 3

4 Ατμός : Αέριο : Αέριο κάτω από το κρίσιμο σημείο του (δηλ. όταν συμπιέζεται υπό σταθερή Τ<Τc τελικά φθάνει σε κάποια πίεση στην οποία αρχίζει να συμπυκνώνεται προς υγρό). Αέριο πάνω από το κρίσιμο σημείο του (δηλ. δεν μπορεί να συμπυκνωθεί). Εξάτμιση σταθερά, T Συμπύκνωση Διεργασίες σε ισορροπία Τάση ατμών Η πίεση ισορροπίας Σε κάθε θερμοκρασία αντιστοιχεί μόνο πίεση στην οποία συνυπάρχουν υγρή & αέρια φάση. Πόσα σημεία βρασμού έχει μια ουσία? Άπειρα. (κανονικό σημείο βρασμού: 760 mm Hg) ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 4

5 Βασικές σχέσεις ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 5

6 Παράδειγμα εξάτμισης ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 6

7 ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 7

8 ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 8

9 Μερικόςκορεσμόςκαιυγρασία Όταν ο χρόνος επαφής αερίου-ατμού δεν είναι αρκετός, δεν επέρχεται ισορροπία (κορεσμός), τότε Η μερική πίεση του ατμού στο αέριο είναι < τάσης ατμών του υγρού στη συγκεκριμένη θερμοκρασία, και έχουμε μερικό κορεσμό Μερικός κορεσμός Μίγμα από 2 ή περισσότερα Πραγματικά Αέρια Κάτω από κατάλληλες συνθήκες ένα () από τα αέρια συστατικά μπορεί να συμπυκνωθεί μερικά. Μέχρι το Σημείο Δρόσου εφαρμόζονται οι εξισώσεις των αερίων μιγμάτων (Ιδανικά Αέρια) Όταν ο ατμός είναι υδρατμός και το αέριο αέρας, χρησιμοποιείται ο όρος Υγρασία. ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 9

10 Σχετικός κορεσμός RS t * ατμού t κορ * t V V κορ V V t n n κορ Kg Kg κορ ατμού ή : κορ. ή * : Μερική πίεση του ατμού στο αέριο μίγμα Μερική πίεση του ατμού στο κορεσμένο αέριο μίγμα (δηλ. η τάση ατμών) Σχήμα. Αέριο μερικά κορεσμένο με υδρατμό. H 2O Relative Humidity (RH) 00 * H 2O ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 0

11 Μοριακός Κορεσμός (για δυαδικό σύστημα, :ατμός, 2:ξηρό αέριο) ΜΚ n n ατμού αερίου n n 2 2 V V 2 n n n t t V Vt V Humidity (H) Kg Kg υδρατμών Ξηρού Αέρα ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών

12 Απόλυτος Κορεσμός (για δυαδικό σύστημα, :ατμός, 2:ξηρό αέριο) AS ( moleατμού) ( ( mole ξηρούαερίου) ( moleατμού) ( mole ξηρούαερίου) πραγματικά) ( κορεσμού) AS n ( πραγμ.) n2 n ( κορ.) n2 ( πραγμ.) 2 ( κορ.) 2 t * t * * t * t RS t * t Δηλαδή: AS RS όταν * (συνθήκες κορεσμού) ήόταν * 0 (σε 0 % κορεσμό) αλλιώς AS < RS ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 2

13 Ισοζύγια μάζας με συμπύκνωση και εξάτμιση Εξετάστηκαν παραδείγματα ξήρανσης με νερό και κάποιο ξηρό υλικό (π.χ. χαρτοπολτός) Τώρα προσθέτουμε και τον αέρα (δηλ. αέρας, υδρατμοί, ξηρό υλικό) Σημείο δρόσου γνωστό (πότε συμπυκνώνεται η η σταγόνα) ΑΡΑ μερική πίεση υδρατμών στο μίγμα γνωστή Μια ποσότητα αέρα σε ατμοσφαιρική πίεση συγκρατεί μόνο μια ορισμένη μέγιστη ποσότητα υδρατμών ΚΑΙ η ποσότητα των υδρατμών εξαρτάται από τη θερμοκρασία του αέρα Η 2 Ο μίγματος n n Η 2 Ο μίγματος Κάθε μείωση της θερμοκρασίας (δηλ. μείωση της τάσης ατμών H2O ) () Κάθε αύξηση της πίεσης περιβάλλοντος (δηλ. της μίγματος ) (βλ. σφουγγάρι) (2) Οδηγεί σε μείωση του n H2O, δηλ. σε αποβολή νερού, δηλ. σε μείωση συγκράτησης νερού στην ατμόσφαιρα Τα () και (2) είναι οι βιομηχανικοί τρόποι αποβολής νερού από αέρια ρεύματα. ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 3

14 Παράδειγμα Σε μια βιομηχανική διεργασία που χρησιμοποιείται το βενζένιο (ΜΒ:78) ως διαλύτης, αυτό εξατμίζεται σε ξηρό άζωτο (ΜΒ:28). Το μίγμα που προκύπτει σε θερμοκρασία 297 ο Κ και πίεση 0,3 ΚΝ/m 2 έχει σχετική υγρασία 60%. Απαιτείται η ανάκτηση 80% του βενζενίου στους 283 ο Κ με συμπίεση σε κατάλληλη πίεση. Ποια είναι αυτή? (* benzene, 297 K 2,2 KN/m 2, * benzene, 283 K 6 KN/m 2 ) Έννοιες : α) Υγρασία (χωρίς νερό), β) μάζα πυκνότητα για τη μονάδα του όγκου ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 4

15 b b KN RH 0,6 b 7,32 (Μερ. πίεση βενζ. στο μίγμα Ν 2 - βενζ.) b * 2,2 m2 Λύση Προσδιορισμός βάρους βενζενίου και αζώτου σε αυθαίρετο όγκο (π.χ. m 3 ) αερίου V nrt V m MB RT m V MB m RT 7, , b Kg 0,23 m3 (0,3 7,32) 28 Kg Ομοίως m Ν 2,066 8, m3 Επέκταση ορισμού Υγρασίας Humidity (H) Kg Kg υδρατμών Ξ ηρού Αέρα 0,23 Kg βενζενίου 0,27,066 Kg Ξηρούαζώτου Ανάκτηση 80% βενζενίου ελάττωση 80% τ τ Kg βεν υυγρασία Η 0,27 0,2 Η 0,0433 Kg Ξ. Aζ Με τη ψύξη και συμπύκνωση / συμπίεση, ατμοί βενζενίου θα είναι σε επαφή με υγρό βενζένιο και το άζωτο θα είναι κορεσμένο σε βενζένιο. Εφαρμόζοντας το νόμο Dalton: b N n b 6 6 0, KN nn 2 m ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 5

16 5 παραδείγματα Σχετική υγρασία Σύσταση και μοριακός κορεσμός Αφύγρανση Αφύγρανση 2 (silica gel) Ύγρανση ΔΠΘ-ΜΠΔ Συστήματα Βιομηχανικών Διεργασιών 6