Διάλεξη 4 Είδη και επιλογές διαχωρισμού
Αφού καθορίσουμε το είδος του αντιδραστήρα και τις λειτουργικές τους συνθήκες... Καθαρισμός τροφοδοσίας Αντιδραστήρας Διαχωρισμός προϊόντος Καθορίζουμε πρώτα τις απαιτήσεις του διαχωρισμού Τα μίγματα που απαιτούν διαχωρισμό μπορεί να έχουν περισσότερες από μία φάσεις (ετερογενή) ή μιά μόνο φάση (ομογενή)
Διαχωρισμός ετερογενών μιγμάτων Διαχωρισμός βασισμένος σε διαφορές φυσικών ιδιοτήτων Πυκνότητα Μέγεθος Μαγνητικές ιδιότητες Επιφανειακές τάσεις κλπ Ο διαχωρισμός ετερογενών μιγμάτων προηγείται του διαχωρισμού ομογενών μιγμάτων
Διαχωρισμός ομογενών μιγμάτων Δημιουργούμε μια καινούρια φάση (ή προσθέτουμε μία καινούρια) Ατμός-υγρό Υγρό-υγρό Στερεό-υγρό Στερεό-ατμός Στερεό-στερεό Μετά διαχωρίζουμε το μίγμα που προκύπτει από τις διαφορές στις φυσικές ιδιότητες
1. Διαχωρισμός ετερογενών μιγμάτων Βασικές διεργασίες διαχωρισμού κατακάθιση, ιζηματογένεση επίπλευση φυγοκέντρηση διήθηση
Κατακάθιση λόγω βαρύτητας Σωματίδια διαχωρίζονται από ρευστά από δυνάμεις βαρύτητας Στερεά σωματίδια ή σταγόνες υγρού Υγρό ή αέριο Πυκνότητα Τροφοδοσία Υγρό-ατμός Υγρό-Υγρό Στερεό-υγρό ή υγρό-αέριο Vapour-Liquid Feed Vapour Liquid-Liquid Feed Light liquid Fluid-Solid Feed Fluid Liquid Δοχείο διαχωρισμού (flash drum) Heavy liquid Διαχωριστήρας υγρών (liquid settler) Διαχωριστήρας στερεών (fluid-solid settler)
Διαυγαστήρες Ειδική περίπτωση κατακάθισης: διαχωρισμός στερεών σωματίδιων σε υγρό με δυνάμεις βαρύτητας Liquid-Solid Feed Liquid Overflow Clear Liquid Slow Revolving Rake Thickened Solid Clear Liquid Πυκνωτής (thickener) Πυκνωτής - κύρια λειτουργία να παράξει συμπυκνωμένο λύμα (slurry) Διαυγαστήρας (clarifier) - αφαίρεση στερεών σωματιδίων Σωματίδια μπορεί να διαχωρίζονται δύσκολα - ηλεκτρικά φορτία δημιουργούν απωστικές δυνάμεις - τα σωματίδια παραμένουν διασκορπισμένα στο αιώρημα Κροκίδωση συχνά διευκολύνεται από φορείς - εξουδετέρωση ηλεκτρικών φορτίων - κροκιδουμενα σωματίδια κατακάθονται ταχύτερα/ευκολότερα
Κατηγοριοποίηση στερεών (classification) Vapour-Solid or Liquid-Solid Feed Fluid outlet Βαριά (Coarse particles) Μέσου βάρους (Intermediate particles) Ελαφρά (Fine particles) Τροφοδοσία - υγρό/στερεό ή ατμός/στερεό Κύριος στόχος ο διαχωρισμός ανάμεσα σε στερεά κλάσματα στερεών
Επίπλευση Διαχωρισμός χρησιμοποιεί διαφορές στην επιφανειακή τάση π.χ. Υδρόφοβο σωματίδιο Υδρόφιλο σωματίδιο - αντιστέκονται σε επαφή με μόρια νερού - παράδειγμα: σωματίδια άνθρακα Σε μίγμα νερού και αέριου, τα υδρόφοβα σωματίδια προσαρτώντα στις φυσαλίδες και ανέρχονται στη στάθμη της υγρής φάσης Τα υδρόφιλα σωματίδια παραμένουν στην υγρή φάση - προτιμούν να περιβάλλονται από μόρια νερού - παράδειγμα: σωματίδια πετρωμάτων Ενεργές ουσίες (surfactants) συχνά προστίθενται για να αυξήσουν τις επιφανειακές τάσεις Άλλες ουσίες (frothing agents) προστίθενται για να σταθεροποιήσουν τον αφρό που σχηματίζεται
Κυψέλες επίπλευσης Αιώρημα Impeller Αέρας Αφρός με εγκλωβισμένο τα υδρόφοβα σωματίδια Υπόλειμα (tails) με εναπομείναντα σωματίδια Σωματίδια στη τροφοδοσία μπορεί να είναι στερεά ή σταγονίδια σε μίγματα υγρού-υγρού Παράγονται φυσαλίδες με διάφορους εναλλακτικούς τρόπους αέριο εισάγεται από κάποιο μηχανισμό παραγωγής φυσαλίδων (sparging system) το αέριο διαλύεται στο νερό σε πίεση και απελευθερώνεται στη κυψέλη επίπλευσης σε χαμηλότερη (ατμοσφαιρική πίεση) ηλεκτρόλυση του υγρού παράγει αέριες φυσαλίδες Ref: Handbook of Separation Process Technology, ed. Rousseau, 1987, John Wiley and Sons, Ch. 16.
Διαχωρισμός με φυγοκέντρηση Ενίσχυση δυνάμεων βαρύτητας και διαχωρισμός με βάση διαφορές στην πυκνότητα Κατακάθιση μπορεί να μην είναι αποδοτική Σχηματισμός γαλακτώματος Το υγρό έχει σωματίδια παρόμοιας πυκνότητας Μικρά σωματίδια: μακρύς χρόνος κατακάθισης Αυτά τα προβλήματα παρακάμπτονται ενισχύοντας τις δυνάμεις βαρύτητας Ο διαχωρισμός με φυγοκέντρηση περιλαμβάνει Κυκλόνες: η κίνηση του υγρού παράγει φυγόκεντρες δυνάμεις Φυγοκεντρητές: φυγόκεντρες δυνάμεις παράγονται από την κίνηση του εξοπλισμού Κατάλληλα μίγματα περιλαμβάνουν Στερεά-υγρά Στερεά-αέρια Υγρά-υγρά Υγρά-αέρια
Διαχωρισμός με φυγόκεντρες δυνάμεις Κυκλόνες Φυγοκεντρητές Τροφο δοσία Ρευστό εξόδου Υπερχύλιση υγρού Τροφοδοσία υγρού-στερεού Υπερχύλιση υγρού Τροφοδοσία υγρού-υγρού Υπερχύλιση υγρού 1 Υπερχύλιση υγρού 2 Έξοδος υγρού 1 Έξοδος Υγρού 2 Σωματίδια εξόδου
Διαχωρισμός με φυγοκέντρηση - γενικά χαρακτηριστικά Κυκλόνες Απλούστερο είδος φυγοκέντρησης Διάμετρος σωματιδίων από 10 mm to 30 m. Το μέγεθος των σωματιδίων που διαχωρίζονται από υγρά, άλλα στερεά ή αέρια κυμαίνονται από 5 έως 500 μm Φυγοκεντρητές Πιο σύνθετες μηχανικές διατάξεις Περιστροφή έως και 60,000 Φυγόκεντρες που αναπτύσσονται έως και 1,000 με 20,000 φορές μεγαλύτερες των δυνάμεων βαρύτητας Διάμετροι από 4 cm έως 1.7 m. Διάμετρος σωματιδίων από 0.01 έως 10,000 μm Φυγοκεντρητές επίσης και για διαχωρισμό υγρών-υγρών και απογαλακτωματοποίηση μιγμάτων
Διήθηση Χρήση πορώδους υλικού που επιτρέπει το διαχωρισμό του ρευστού από σωματίδια (τα οποία κατακρατούνται στο φίλτρο) Διήθηση κρούστας (cake filtration)- στερεό κατακρατάται στην επιφάνεια του μέσου Διήθηση βάθους (depth filtration) - στερεό κατακρατάται μέσα στους πόρους Βασίζεται σε διαφορές στο μέγεθος των σωματιδίων Σωματίδια έως 0.005 μm διαχωρίζονται από υγρά με μεμβράνες Για το διαχωρισμό πολύ μικρών σωματίδιων απαιτούνται φίλτρα με πολύ μικρούς πόρους και απαιτούν μεγάλες διαφορές πίεσης Πίεση, η χρήση κενού και/ή φυγοκεντρητών μπορούν να διασφαλίσουν τις δυνάμεις διαχωρισμού που απαιτούνται για να διαπεράσει το υγρό ανάμεσα από τη στερεά κρούστα (κεϊκ).
Εξοπλισμός διήθησης Διήθηση μπορεί να διαταχθεί με διάφορους τρόπους Διήθηση ελάσματοςπλαισίου (plate-andframe filter) Filter Medium Liquid-Solid Feed Header Vapour Σακόφιλτρα (Bag filter) Filter Medium Vapour Liquid-Solid Feed Δίηθηση ιμάντα (Belt filter) Vacuum Liquid Out Liquid Διήθηση σε τύμπανο (Drum filter) Liquid-Solid Feed Vapour-Solid Feed Filter Medium Vacuum Filter Medium Solid Solid
2. Διαχωρισμός ομογενών μιγμάτων δημιουργώντας νέα φάση Δημιουργούμε μια καινούρια φάση (ψύξη, θέρμανση) Βρασμος/εξάτμιση μίγμα ατμού/υγρού, ατμού/στερεού Κρυστάλλωση στερεού/υγρού Εξάχνωση στερεού/ατμού Ψύξη/συμπυκνωση υγρού/υγρού, υγρού/ατμού Διαχωρίζουμε τις φάσεις με βάση τις διαφορές τους σε φυσικές ιδιότητες Συνήθως πυκνότητα Η απόσταξη είναι η πιό κοινή μέθοδος διαχωρισμού ομογενών μιγμάτων Αλλεπάλληλα στάδια βρασμού/συμπύκνωσης Σημαντικές απαιτήσεις σε ενέργεια
Διαχωρισμός βασισμένος στη δημιουργία πρόσθετων φάσεων Παρουσία πτητικών διεργασίες απλής φάσης Μερική συμπύκνωση/εξάτμιση Δοχείο διαχωρισμού Τροφοδοσία Ατμός Τροφοδοσία Ατμός Υγρό Υγρό Αέρια φάση εμπλουτίζεται με πτητικό Φάσεις διαχωρίζονται εξαιτίας διαφορετικών πυκνοτήτων Ο διαχωρισμός μπορεί να μην επαρκεί αν οι διαφορές στην πτητικότητα δεν είναι μεγάλες
Απόσταξη Ατμός ή υγρό προϊόν κορυφής Προϊόν πυθμένα Διαδοχικά στάδια εξάτμισης και βρασμού Ο συμπυκνωτήρας συμπυκνώνει, επιστρέφοντας μέρος από το συμπύκνωμα (αναρροή) Ο αναβραστήρας εξατμίζει και επιστρέφει τον ατμό (boilup) Αν το ελαφρύ συστατικό (απόσταγμα) είναι δύσκολο να συμπυκνωθεί, τότε χρησιμοποιούμε μερικό συμπυκνωτήρα (partial condenser) παράγοντας υγρό προϊον
Τμήμα εμπλουτισμού y 1 y 2 y n+1 1 2 x 1 x 2 V 1 y 1 y 2 y n x n x 1 L x D n L n x n n+1 y n+1, V n+1 n+1 L 1 n 2 1 x D D x D Slope = R R+1 Συνολικό ισοζύγιο: V n+1 = L n + D Ισοζύγια συστατικών: V n+1 y n+1,i = L n x n,i + D x D,i Σταθερή μοριακή ροή: V n+1 = V; L n = L V = L + D Ρυθμός αναρροής, R: R = L/D Αναρροή R και V: V = (R+1) D Συνολικά: y R x R 1 1 x R 1 n1, i n, i D, i Το ισοζύγιο είναι γραμμική εξίσωση. Για δυαδικό μίγμα μπορούμε να σχεδιάσουμε τη γραμμή στο διάγραμμα ισορροπίας. Η γραμμή λειτουργίας συνδυάζεται με τη γραμμή ισορροπίας για τον υπολογισμό βαθμίδων.
Τμήμα εξάντλησης y m+1 y N y B F, z m L m m+1 N N L N x N xm m+1 m y N y B B, x B Steam Slope = y m+1, V m+1 L V Συνολικό ισοζύγιο: L m = V m+1 + B Ισοζύγια συστατικών: L m x m,i =V m+1 y m+1,i + B x B,i Σταθερές μοριακές ροές: V m+1 = V; L m = L L = V + B Συνολικά: y L V x B V x m 1, i m, i B, i x B x N x m Γραμμή ισορροπίας και γραμμή λειτουργίας. Γραμμική εξίσωση με δυνατότητα αναπαράστασης για δυαδικά μίγματα.
Σχεδιασμός δυαδικών συστημάτων με τη μέθοδο McCabe-Thiele Feed plate 3 y 2 1 Σχεδιασμός λειτουργικών γραμμών εξάντλησης και εμπλουτισμού Σύγκλιση με τη γραμμή τροφοδοσίας (q-line) που εκφράση την κατάσταση της τροφοδοσίας (q=0 για τροφοδοσία κορεσμένου ατμού). 4 x B z x D Βηματισμός ανάμεσα σε γραμμές ισορροπίας και στις γραμμές λειτουργίας για τον υπολογισμό των βαθμίδων απόσταξης. Μερικοί αναβραστήρες ή συμπυκνωτήρες καταμετρώνται σαν ξεχωριστά στάδια
f e e N d o r e T f o lu t x a l p r o d u c N t o s Fed Mr e f in lu im x u m stila t Di e r e q m u Is a ir na t e fn a d in yg. ae ts e ly Botom s Ολική και ελάχιστη αναρροή σε δυαδικά μίγματα Ολική αναρροή Ελάχιστη αναρροή No feed No products Feed Pinch at the feed stage Distillate Bottoms 1 1 1 4 3 2 0 0 x B z x D 1 Mole fraction A in liquid, x q line 0 0 xb z x D 1 Mole fractiona in liquid, x Pinch point Rectifying operating line Stripping operating line
Απόσταξη πολλών συστατικών Ισορροπία φάσεων ακολουθεί τις ίδιες αρχές: y P x P SAT i i i i i αλλά οι υπολογισμοί γίνονται σύνθετοι. Σχετική πτητικότητα, α ij, ορίζεται ως: A B C D A B C (D) ij K K i j yi x i yj xj Σε αναλογία με τα δυαδικά συστατικά εισάγεται η έννοια ελαφρών και βαρέων κλειδιών. Τα συστατικά κλειδιά εμφανίζονται και στα δύο ρεύματα εξόδου (η ανάκτηση σε κάθε κλειδί είναι λιγότερο απο 100%). Το ελαφρό κλειδί διαχωρίζεται κυρίως στην κορυφή. Το βαρύ κλειδί διαχωρίζεται κυρίως στον πυθμένα. Τα ενδιάμεσα συστατικά κατανέμονται ανάμεσα σε κορυφή και πυθμένα. (B) C D B = Light key D = Heavy key C = Intermediate boiling component
Τεχνικές σχεδιασμού Ένας αριθμός απο τεχνικές έχουν αναπτυχθει για να στηρίξουν το σχεδιασμό: Fenske Equation: Ελάχιστος αριθμός σταδίων, N min. Underwood Equations: Ελάχιστος ρυθμός αναρροής, R min. Gilliland Correlation: Υπολογισμός βαθμίδων απο την αναρροή και τα R min, N min. Kirkbride Equation: Βαθμίδα εισόδου. Geddes-Hengstebeck Method: Κατανομή ενδιάμεσων συστατικών. Υπόθεση εργασίας - απλες στήλες
Σχετικές πτητικότητες συστατικών Fz fi i DxD, i di Bx bi B, i Total flows: F, D, B Component mole fractions: z i, x D,i, x B,i Component flows: f i, d i, b i Component recovery: r D,i = d i /f i r B,i = b i /f i Σχετικές πτητικότητες (α i,j ) - σημαντικές στους περισσότερους υπολογισμούς α i,j θεωρούνται συχνά σταθερές στη στήλη. Ελεγχόμενη υπόθεση στις περισσότερες περιπτώσεις. Γεωμετρικός μέσος όρος μεταξύ των τιμών σε κορυφή και πυθμένα.,,, i j mean i j top i j bottom
di dr N N b x x N i D, i min Nmin i, r or i, r b x x min min Εξίσωση Fenske Χρήσιμη στον υπολογισμό του ελάχιστου αριθμού βαθμίδων, N min. Σε ολική αναρροή, η ροή ενός συστατικού i σε σχέση με το συστατικό αναφοράς δίνεται ως r όταν τοσ συστατικό i είναι το ελαφρύ κλειδί L, και το r είναι το βαρύ κλειδί, H, τοτε: ή ισοδύναμα: xd, L log x D, H log L, H x x L, H d b L H log d b H L log( ) B, H B, L D, r B, i B, r d b i i Dx Bx D, i B, i
Μέθοδος Hengstebeck-Geddes Χρήση στον υπολογισμό της σύστασης των ενδιάμεσων προϊόντων (ακολουθεί τον υπολογισμό ελαφρών και βαρέων κλειδιών) Η εξίσωση Fenske παίρνει τη μορφή: di log A Clog i, r b i log bi d i Οι παράμετροι A και C υπολογίζονται απο τα ελαφρά και τα βαριά κλειδιά. Οι συστάσεις των υπόλοιπων συστατικών υπολογίζονται στη συνέχεια. Η μέθοδος υποθέτει συνολικό ρυθμό αναρροής. Επεκτείνεται στην υπόθεση πως η κατανομή δεν επηρρεάζεται απο το ρυθμό αναρροής.! Component 1! Light key! Heavy key! Component 4! Component 5 log, i r
Εξισώσεις Underwood Ο ελάχιστος ρυθμός αναρροής υπολογίζεται σε δύο στάδια Υπολογισμός θ: n i=1 i i,f i x - 1 q Χρήση θ στον υπολογισμό R min : n ixi,d R min +1 i=1 i - n: αριθμός συστατικών q: κατάσταση τροφοδοσίας ( ποσοστό υγρής φάσης). V min :μοριακή ροή ατμού σε ελάχιστο ρυθμό αναρροής. x i,f : κλάσμα συστατικού i στην τροφοδοσία x i,d : κλάσμα συστατικού i στην κορυφή α i : σχετική πτητικότητα i ως προς το βαρύ συστατικό θ: λύση στην πρώτη εξίσωση (α HK < θ < α LK ).
Συσχετίσεις Gilliland Πραγματικός αριθμός βαθμίδων με δεδομένο R, R min and N min. N Nmin R R let Y and X N 1 R 1 O Gilliland συσχέτισε X με Y χρησιμοποιώντας πειραματικά δεδομένα σε ένα ευρύ πεδίο τιμών για α, R/R min, πιέσεις, κλπ Εναλλακτικές εξισώσεις συσχέτισης των X και Y. πχ. Liddle (1940) Eduljee (1975) Y min 0.545827 0.591422 X 0.002743 1 X 0. 5668 Y 0.75( 1 X ) Molokonov (1972) Rusche (1999) 1 54. 4 X X 1 Y 1 exp 11 117. 2 X 0. 5 X Y 0.2910 X X 1 0.2788 1.3154 X 0.4114 X 0.8268 ln 0.9020ln X
Συσχετίσεις Erbar-Maddox Δίνει τον αριθμό βαθμίδων απο τον πραγματικό ρυθμό αναρροής, R min και N min. Η συσχέτιση θεωρείται πιο αξιόπιστη απο τον Gilliland Ref: Sinnott, 1996, Coulson and Richardson s Chemical Engineering, Vol. 6, 2 nd ed., Butterworth, p.478
Δίνει τη βαθμίδα τροφοδοσίας Εξίσωση Kirkbride N, log r z. H B xb L Ns zl D 0 206 log xd, H 2 where: N r N s z H z L B D x B,L x D,H Αριθμός βαθμίδων στον εμπλουτισμό Αριθμός βαθμίδων στην εξάντληση Βαρύ συστατικό στην τροφοδοσία Ελαφρύ συστατικό στην τροφοδοσία Μοριακή ροή πυθμένα Μοριακή ροή κορυφής κλάσμα ελαφρού συστατικού στον πυθμένα κλάσμα βαρέος συστατικού στην κορυφή
Παράδειγμα - υπολογισμός ελάχιστης αναρροής και ελάχιστου αριθμού δίσκων Συστατικό Mole fr. in Feed Κορυφή (kmol/h) Πυθμένας (kmol/h) Σχετική πτητικότητα Propane i-butane n-butane i-pentane n-pentane 0.05 0.15 0.25 0.20 0.35 5 14.9 24 1 0.4 45.3 0 0.1 1 19 34.6 54.7 5.0 2.6 2.0 1 0.85 Πίεση = 8.3 bar, q = 1.0: (a) Υπολογισμός N min (b) Υπολογισμός R min
(a) N min d b L H log d b H L log( ) N min 24 19 log 1 1 log 2. 0 (a) Εξισώσεις Underwood: Υπολογισμός θ (1 < θ < 2) izi ixi,d 1 q R min +1 - - i L, H Λύση Εξίσωση Fenske: Κλειδιά είναι n-butane (L) και i-pentane (H) i 8. 8 Συστατικό Propane i-butane n-butane i-pentane n-pentane α i z i 0.25 0.39 0.50 0.20 0.30 α i z i α i - θ θ = 1.5 0.071 0.355 1.0-0.40-0.462 0.564 θ = 1.3 0.068 0.30 0.714-0.667-0.667-0.252 θ = 1.35 0.068 0.312 0.769-0.571-0.600 0.022 x D,i 0.11 0.33 0.53 0.02 0.01 α i x D,i α i - θ 0.15 0.69 1.66-0.06-0.02 2.42 = R min + 1 Ref: R min = 1.42 Coulson and Richardson, p.483-4
Επιλογή λειτουργικών παραμέτρων Η ροή και σύσταση της τροφοδοσίας συνήθως θεωρείται σταθερή Η καθαρότητα των συστατικών ορίζεται συνήθως απο το πρόβλημα Εκφρασμένα σε ποσοστά καθαρότητας ή ποσοστά ανάκτησης. Σχεδιαστικοί παράμετροι: Πίεση λειτουργίας Ρυθμός αναρροής Κατάσταση τροφοδοσίας Βαθμίδα εισόδου Είδος συμπυκνωτήρα
Επίδραση της πίεσης στην απόσταξη Διαχωρισμός βενζόλιου-τολουένιου-αιθυλοβενζόλιου-στυρένιου 2.5 2 1.5 1 R min 7 6 5 4 3 20 15 N min 10 0.5 0 1 2 3 4 5 2 1 0 1 2 3 4 5 5 0 1 2 3 4 5 P (bar) P (bar) P (bar) T( O C) 250 200 150 100 50 0 T REB T COND (kj/kg) 34000 32000 30000 28000 26000 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 P (bar) P (bar)
Εξάτμιση Τροφοδοσία Ατμός Ατμός Απομάκρυνση διαλύτη από διαλυμένα στερεά π.χ. αφαλάτωση νερού Συμπύκνωμα (concentrate) Συμπυκνωμένος ατμός (condensate)
Εξάτμιση πολλαπλών βαθμίδων (multi-stage evaporation, forward feed operation) Feed Concentrate Condenser Steam Condensate Condensate Condensate Τα σημεία βρασμού μειώνονται απο βαθμίδα σε βαθμίδα Χρησιμοποιούνται όταν το συμπυκνωμένο προϊόν διασπάται σε υψηλότερες θερμοκρασίες
Εξάτμιση πολλαπλών βαθμίδων (multi-stage evaporation, backward feed operation) Concentrate Feed Steam Condensate Condensate Condensate Χρησιμοποιούνται όταν το συμπύκνωμα είναι πολύ ιξώδες Οι υψηλότερες θερμοκρασίες στα πρώτα στάδια μειώνουν το ιξώδες και δίνουν καλύτερους συντελεστές μεταφοράς θερμότητας
Εξάτμιση πολλαπλών βαθμίδων (multi-stage evaporation, parallel feed operation) Feed Condenser Steam Condensate Condensate Condensate Concentrate Concentrate Concentrate Χρησιμοποιούνται όταν η τροφοδοσία είναι σχεδόν κορεσμένο υγρό, ιδιαίτερα όταν το προϊόν είναι στερεοί κρύσταλλοι Εφικτές είναι πολλές άλλες διατάξεις που συνδυάζουν τις προηγούμενες περιπτώσεις και εξυπηρετούν συγκεκριμένες προτεραιότητες
Κρυστάλλωση Condensate Product Ψύξη, εξάτμιση ή συνδυασμός τους για την παραγωγή κρυστάλων από διάλυμα παραδείγματα περιλαμβάνουν φαρμακευτικά προϊόντα, λιπάσματα, αλάτι, ζάχαρη, οργανικά οξέα κλπ
3. Διαχωρισμός με πρόσθετα (mass separating agents) Ξήρανση Εξάντληση (stripping) Απορρόφηση Απόσταξη αζεότροπων Έκχύλιση (LL extraction, LLX) Προσρόφηση Εκχύλιση με υπερκρίσιμα ρευστά (supercritical extraction) Ιοντοανταλλαγή
Ξήρανση Wet solids Air In Heat Air out Dry solids Απομακρύνεις υγρά από στερεά εξατμίζοντας το υγρό Το πρόσθετο είναι συνήθως ζεστός αέρας που εισάγεται για την εξάτμιση του υγρού Παράδειγμα - απομάκρυνση νερού από πολυ-βινυλοχλωρίδιου (PVC) με θερμό αέρα
Απορρόφηση Υγρό απορρόφησης Ατμός τροφοδοσίας Καθαρό προϊόν Μέσο απορρόφησης με απορροφημένες ουσίες Για ατμούς που συμπυκνώνονται δύσκολα Δημοφιλέστερη εναλλακτική λύση αντί για απόσταξη και για διαχωρισμό συστατικών που βρίσκονται σε μικρές ποσότητες Το μέσο απορρόφησης δημιουργεί υγρή αναρροή Πιθανή χρήση αναβραστήρα για θερμική ενίσχυση Συμπυκνωτήρας μειώνει απώλειες του μέσου απορρόφησης και βελτιώνει την πυκνότητα του αποστάγματος Τυπικές συνθήκες - θερμοκρασία δωματίου και υψηλή πίεση Αν το ελαφρό απόσταγμα είναι δύσκολο να συμπυκνωθεί, χρήση μερικού συμπυκνωτήρα με αέριο απόσταγμα το προϊόν L07-27
Εξάντληση Υγρή τροφοδοσία Αέριο εξάντλησης Αέριο εξάντλησης + πτητικά τροφοδοσίας Προίόν Το αέριο εξάντλησης συνήθως εισάγεται κατα αντιρροή Δεν απαιτείται εξάτμιση του προϊόντος (ρεύμα πυθμένα) Χρήσιμο για βαριά συστατικά που είναι θερμικά ασταθή Ενδέχεται η επικουρική χρήση αναβραστήρων/συμπυκνωτήρων Συνήθως λειτουργούν σε ψηλή θερμοκρασία και ατμοσφαιρική πίεση
Αζεοτροπική απόσταξη y x A-B azeotrope VLE of A-B mixture VLE of A-B entrainer mixture Χρήση πρόσθετου (entrainer, διαλύτη) Επηρρεάζει τις σχετικές πτητικότητες των συστατικών Συνδυάζεται συνήθως με διαφορετικές θέσεις τροφοδοσίας (πρόσθετου, μίγματος) που διευκολύνουν το διαχωρισμό Σχηματίζεται και δεύτερη υγρή φάση στο συμπυκνωτήρα Ο διαχωρισμός της δεύτερης φάσης διευκολύνει το αζεότροπο διαχωρισμό
Εκχύλιση υγρού-υγρού (liquid-liquid extraction, LLX) Liquid-Liquid Feed Light liquid Heavy liquid Προστίθεται ετερογενής διαλύτης στο σύστημα (extraction solvent) Συστατικά ανακατανέμονται στις δύο υγρές φάσεις (extract, raffinate) Το LLX είναι χρήσιμο αν ή απόσταξη δεν είναι πρακτική Π.χ απαιτούνται πολλά στάδια, αστάθεια συστατικών στο θερμοκρασιακό εύρος της απόσταξης Μπορεί να απαιτείται συστοιχία συσκευών Υγρά συνήθως κατά αντιρροή Παράδειγμα - υδρομεταλλουργικές εφαρμογές, διαχωρισμός υδρογονανθράκων με παρεμφερή σημεία βρασμού
Υπερκρίσιμη εκχύλιση Παρόμοια με εκχύλιση όπου χρησιμοποιείται κάποιος πρόσθετος διαλύτης Ο διαχωρισμός γίνεται σε θερμοκρασία και πίεση μεγαλύτερες του κρίσιμου σημείου του διαλύτη Σε υπερκρίσιμες συνθήκες, οι μεταβολές στη διαλυτότητα μεταβάλλονται σημαντικά με την πίεση και θερμοκρασία Η ανάκτηση του διαλύτη είναι εύκολη - μείωση πίεσης κάτω από τις κρίσιμες συνθήκες -ανάκτηση και συμπίεση του διαλύτη για επαναχρησιμοποίηση Πιθανή ανάκτηση σε ψηλές πιέσεις με απόσταξη, απορρόφηση κλπ Παράδειγμα - εκχύλιση καφεϊνης από καφέ με CO2 Ref: Henley and Seader, 1998, Separation Process Principles, John Wiley & Sons, pp. 641-650.
Υπερκρίσιμη εκχύλιση Παράδειγμα διεργασίας Pressure reduction valve Extract phase Stripper Feed Separator Product Extraction column CO 2 recycle Feed Extractor Separator CO 2 to recovery Reboiler Distillation column CO 2 to recovery Compressor CO 2 Extractant Raffinate Separator Product Raffinate Compressor Ref: Henley and Seader, 1998, Separation Process Principles, John Wiley & Sons, p. 647.
Προσρόφηση Συστατικά εκροφώνται επιλεκτικά σε στερεά για να αποδεσμευθούν σε επόμενες διεργασίες Χρησιμοποιούνται για συστατικά σε χαμηλές συγκεντρώσεις Υλικά προσρόφησης περιλαμβάνουν ενεργό άνθρακα, οξείδια αλουμινίου, πυριτία (silica gel) και μοριακούς ηθμούς (molecular sieves) (καταλύτες Na ή Ca, αλουμινοπυριτικοί ζεόλιθοι) Αναγέννηση του μέσου προσρόφησης επιτυγχάνεται με Εξάτμιση με θερμό αέριο (thermal swing) Εξάτμιση με πτώση πίεσης (pressure swing adsorption) Καθαρισμό με αδρανές (inert gas purging) Εκτόπιση προσροφητή από ισχυρότερο μέσο Παράδειγμα - αφαίρεση διαλυτών από αέρια ρεύματα Ref: Henley and Seader, 1998, Separation Process Principles, John Wiley & Sons, p. 778-789.
Ιοντοανταλλαγή Παρόμοια με την προσρόφηση αλλά υπάρχει χημική αντίδραση Ιόντα υγρού διαλύματος εκτοπίζουν άλλα (διαφορετικής υφής) που περιέχονται σε στερεά ρητίνη ιοντοανταλλαγής Π.χ. 2 ιόντα H + αντικαθιστούντα από ένα Ca 2+ κατιόν Ιόντα θετικά ή αρνητικά Η αντίδραση είναι αμφίδρομη ώστε η ρητίνη να μπορεί να αναγεννηθεί Αναγέννηση ρητίνης συνήθως με καθαρισμό βασισμένο σε οξύ ή βάση Παράδειγμα - κατεργασία υγρών λυμάτων (αστικών, από λέβητες), ανάκτηση υδρομεταλλουργικών και καθαρισμός, διεργασίες με φαρμακευτικά Ref: Handbook of Separation Process Technology, ed. Rousseau, 1987, John Wiley and Sons, Ch. 13.
4. Μεμβράνες Οι μεμβράνες λειτουργούν σαν φυσικό εμπόδιο για τον επιλεκτικό διαχωρισμό των συστατικών - Αντίστροφη όσμωση σε υγρά (reverse osmosis) Μεμβράνες χωρίς πόρους διαχωρίζουν σωματίδια έως 0.1 nm χρησιμοποιώντας υψηλή πίεση Εφαρμογή - αφαλάτωση θαλάσσιου νερού - Υπερδιήθηση υγρών (ultrafiltration) Διαχωρισμός μέσα από μικροπόρους για σωματίδια έως 1 20 nm και σε σχετικά ήπιες πιέσεις Εφαρμογή - διαχωρισμός ορού γάλακτος (ξινόγαλου) από τυρί - Μικροδίηθηση υγρών (microfiltration) Διαχωρισμό μέσα από μικροπόρους για σωματίδια έως 0.021 μm σε χαμηλές πιέσεις Εφαρμογή - απομάκρυνση βακτηρίων από πόσιμο νερό Ref: Seader and Henley, 1998, Separation Process Principles, John Wiley & Sons, p. 14-16.
Διαχωρισμός αερίων Διαχωρισμός με τη βοήθεια πίεσης σε μεμβράνες χωρίς πόρους Τα συστατικά διαπερνούν τη μεμβράνη με βάση το μοριακό βάρος τους και το σχήμα τους Εφαρμογή - εμπλουτισμός υδρογόνου, καθαρισμός αέρα Διεξάτμιση (pervaporation) Μεμβράνες (συνέχεια) Το συστατικό που εξατμίζεται διαπερνά τη μεμβράνη Η πίεση λειτουργίας είναι χαμηλότερη αλλά απαιτείται ενέργεια (στη μορφή θερμότητας εξάτμισης) Εφαρμογή - Διαχωρισμός αζεότροπων μιγμάτων
Συμπεράσματα Η επιλογή του διαχωρισμού εξαρτάται από το είδος των μιγμάτων και τις ιδιότητες των συστατικών τους Ετερογενή/ομογενή μίγματα Διαχωρισμός υγρού-υγρού/στερεού-υγρού/ατμού-υγρού Βασισμένες στις διαφορές φυσικών ιδιοτήτων (π.χ. μέγεθος σωματιδίων, πυκνότητα, διαλυτότητα, πτητικότητα κλπ) Στο διαχωρισμό ομογενών μιγμάτων η δεύτερη φάση δημιουργείται ή προστίθεται Π.χ. ατμός-υγρό ή στερεό-υγρό μίγμα με την προσθήκη θερμότητας, ψύξη ή την αλλαγή πίεσης Πρόσθετα συστατικά (mass separating agents) μπορεί να μεταβάλλουν τις φυσικές ιδιότητες ή να οδηγήσουν σε πρόσθετες φάσεις