Μηχανική και Ανάπτυξη Διεργασιών Κωστής Μαγουλάς, Καθηγητής Επαμεινώνδας Βουτσάς, Επ. Καθηγητής 7ο Εξάμηνο, Σχολή Χημικών Μηχανικών ΕΜΠ
. ΟΡΙΣΜΟΣ Οι διαχωρισμοί είναι οι πιο συχνά παρατηρούμενες διεργασίες κατά την παραγωγική διαδικασία μιας Χημικής Βιομηχανίας. Οι χρήσεις τους είναι ποικιλόμορφες και περιλαμβάνουν ένα πλατύ φάσμα εφαρμογών, όπως: Κλασματική απόσταξη, διαχωρισμός διαλύματος στα συστατικά του Απομάκρυνση «βλαβερών» ουσιών (τοπικές, διαβρωτικές, κ.α.) Βελτίωση χρώματος ή οσμής (βιομηχανίες τροφίμων) Εμπλουτισμός διαλύματος ή μίγματος σε κάποιο από τα συστατικά του (μεταλλουργία, φαρμακοβιομηχανίες, κ.α.) Ανάκτηση συστατικού για επαναχρησιμοποίηση (ανάκτηση διαλυτών) κλπ. Ως διαχωρισμοί ορίζονται οι διεργασίες κατά τις οποίες από ένα διάλυμα ή μίγμα λαμβάνονται δύο ή περισσότερα προϊόντα διαφορετικής σύστασης. Π.χ. ένα αέριο διαχωρίζεται από ένα άλλο αέριο ή από ένα μίγμα αερίων, ένα υγρό από ένα μίγμα δύο ή περισσοτέρων υγρών, ένα στερεό από ένα υγρό, ένα αέριο από ένα υγρό ή από ένα στερεό κλπ.
2. ΚΑΤΑΤΑΞΗ ΤΩΝ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΩΝ ΣΕ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ 2. Κατάταξη με βάση τον τρόπο λήψης των προϊόντων (δηλαδή το μηχανισμό της διεργασίας του διαχωρισμού) : Μηχανικοί διαχωρισμοί (Μ) και Φυσικοί διαχωρισμοί (Φ) Μηχανικοί είναι οι διαχωρισμοί στους οποίους η τροφοδότηση χωρίζεται σε προϊόντα με τη βοήθεια μηχανικής διάταξης (με βάση τις φυσικές ιδιότητες των προς διαχωρισμό συστατικών), όπως: Διαφορετική φάση (διήθηση, φιλτρόπρεσσες, φιλτράρισμα αερίων π.χ. σακκόφιλτρα, κλπ) Μέγεθος (κοσκίνισμα) Μαγνητικές ιδιότητες (μαγνητικοί διαχωριστήρες) Ηλεκτροστατικές ιδιότητες (ηλεκτροστατικά φίλτρα) Ειδικό βάρος ( φυγοκέντρηση, καθίζηση, επίπλευση) κλπ.
Φυσικοί είναι οι διαχωρισμοί στους οποίους ο σχηματισμός προϊόντων διαφορετικής σύστασης είναι αποτέλεσμα μεταφοράς μάζας, όπως: απόσταξη, εκχύλιση, διάλυση, ηλεκτροδιάλυση, ξήρανση, εξάχνωση, κρυστάλλωση, απορρόφηση, συμπύκνωση, κλπ. Οι φυσικοί διαχωρισμοί διακρίνονται σε: Διαχωρισμούς Ισορροπίας (Δ.Ι.) Διαχωρισμούς Ρυθμών Μεταφοράς Μάζας (Δ.Ρ.Μ.Μ.) Στους Διαχωρισμούς Ισορροπίας είναι απαραίτητη η ύπαρξη δύο (ή περισσοτέρων) μη αναμίξιμων φάσεων, μεταξύ των οποίων γίνεται η μεταφορά μάζας προς επίτευξη ισορροπίας (εξάτμιση, εκχύλιση, απόσταξη, απορρόφηση). Στους Διαχωρισμούς Ρυθμών Μεταφοράς Μάζας υπάρχει μία μόνο φάση μέσα στην οποία σχηματίζονται τα προϊόντα από την επίδραση δυνάμεων διάχυσης (διαφορές θερμοκρασίας, πυκνότητας ή πίεσης) όπως στην αέρια διάχυση και την αντίστροφη ώσμωση).
2.2 Κατάταξη με βάση τις φάσεις των συστατικών στο αρχικό μίγμα που πρόκειται να διαχωριστεί: Αέριο Αέριο (Κρυογενική απόσταξη, απορρόφηση, συμπύκνωση) Αέριο Υγρό (Κυκλώνες, συμπύκνωση, ξήρανση αερίων) Αέριο Στερεό (Κυκλώνες, φιλτράρισμα αερίων, ηλεκτρομαγνητικοί διαχωρισμοί) Υγρό Υγρό (Απόσταξη, εκχύλιση) Υγρό Στερεό (Διήθηση, καθίζηση, φυγοκέντριση) Στερεό Στερεό ( Κοσκίνισμα, μαγνητικοί διαχωριστήρες επίπλευση, εξάχνωση)
Ανεξάρτητα από τη μέθοδο κατάταξης και την κατηγορία στην οποία ανήκει, το προς διαχωρισμό σύστημα πρέπει να έχει μια χαρακτηριστική ιδιότητα χάρις στην οποία γίνεται «εφικτός» ο διαχωρισμός. Η χαρακτηριστική αυτή ιδιότητα ονομάζεται Παράγοντας Διαχωρισμού και είναι π.χ. στην κλασματική απόσταξη η σχετική πτητικότητα των συστατικών, στη διήθηση η διαφορετική φάση, στη φυγοκέντρηση το ειδικό βάρος και η διαφορετική φάση, στο κοσκίνισμα το μέγεθος, στην εκχύλιση η διαλυτότητα, στην ξήρανση και το βρασμό η σχετική πτητικότητα κλπ. Ο Παράγοντας Διαχωρισμού υπάρχει στο προς διαχωρισμό σύστημα σε «λανθάνουσα» μορφή, μέχρις ότου αξιοποιηθεί από την κατάλληλη Διάταξη Διαχωρισμού. Συνηθισμένες Διατάξεις Διαχωρισμού είναι π.χ. το φίλτρο, η φυγόκεντρος, η φιλτρόπρεσσα, ο κυκλώνας, η αποστακτική στήλη.
Τις περισσότερες φορές αλλά όχι πάντα, εκτός από τον Παράγοντα Διαχωρισμού και τη Διάταξη Διαχωρισμού είναι απαραίτητο και το Μέσο Διαχωρισμού (υλικό ή ενέργεια) που χρησιμοποιείται για να ενεργοποιηθεί ο Παράγοντας Διαχωρισμού. Στην κλασματική απόσταξη π.χ. χρειάζεται και ενέργεια σε μορφή θερμότητας για να ενεργοποιηθεί η σχετική πτητικότητα (Παράγοντας Διαχωρισμού) και να επιτευχθεί ο διαχωρισμός στην αποστακτική στήλη (Διάταξη Διαχωρισμού). Όπως επίσης στην εκχύλιση χρειάζεται ο κατάλληλος διαλύτης (υλικό) για την εκλεκτική διάλυση των συστατικών που πρόκειται να διαχωριστούν στον εκχυλιστήρα. Με βάση το Μέσο Διαχωρισμού οι διεργασίες χωρίζονται σε: Έμμεσες όπου το μέσο διαχωρισμού είναι υλικό (π.χ. εκχύλιση, απορρόφηση, αζεοτροπική απόσταξη) και Άμεσες όπου το μέσο διαχωρισμού είναι ενέργεια (π.χ. απόσταξη, εξάτμιση, κρυστάλλωση, φυγοκέντριση). Το μέσο διαχωρισμού δεν είναι πάντα απαραίτητο (π.χ. διήθηση, καθίζηση).
ΑΕΡΙΟ ΑΕΡΙΟ Διαχωρισμός Κατηγορία Ιδιότητα Διαχωρισμού Μέσο Διαχωρισμού Τυπική Εφαρμογή Κρυογενική Απόσταξη Διαφορά τάσης ατμών υγροποιημένων αερίων (θερμότητα) Παραγωγή Ν 2, Ο 2 από αέρα Απορρόφηση Εκλεκτική διαλυτότητα αερίου σε διαλύτη Διαλύτης Κατακράτηση τοξικών ουσιών από αέρια Ρόφηση σε στερεά Εκλεκτική απορρόφηση αερίου σε στερεό Στερεό Φίλτρα ενεργού άνθρακος Αέρια διάχυση ΡΜ Διαφορετικοί συντελεστές διάχυσης αερίων (πίεση) Εμπλουτισμός H 2, διαχωρισμός CO 2 Θερμική Διάχυση ΡΜ Τα μεγάλα μόρια τείνουν προς το πιο κρύο μέσο (θερμότητα) Εμπλουτισμός αερίων ισοτόπων Συμπύκνωση Διαφορετικά σημεία βρασμού των συστατικών (θερμότητα) Διαχωρισμός Ηe από φυσικό αέριο
ΑΕΡΙΟ ΥΓΡΟ Διαχωρισμός Κατηγορία Ιδιότητα Διαχωρισμού Μέσο Διαχωρισμού Τυπική Εφαρμογή Διαχωρισμός με βαρύτητα Μ Διαφορά πυκνότητας σταγόνας υγρού από αέριο - Δοχεία διαχωρισμού υγρού εις αναρρόφηση συμπιεστών Ξήρανση αερίων Αφυγραντικές ιδιότητες ορισμένων στερεών - Ξήρανση βιομηχανικώς χρησ. αερίων Απαερίωση υγρών (νερού) Μείωση της διαλυτότητας αερίων σε υγρά με αύξηση της θερμοκρασίας (θερμότητα) Απομάκρυνση διαλυμένου αέρα από νερό τροφ. λεβήτων
ΑΕΡΙΟ - ΣΤΕΡΕΟ Διαχωρισμός Κατηγορία Ιδιότητα Διαχωρισμού Μέσο Διαχωρισμο ύ Τυπική Εφαρμογή Διαχωρισμός με βαρύτητα Μ Διαφορά πυκνότητας αερίων στερεών - Απομάκρυνση σκόνης από απαέρια κλιβάνων Κυκλώνες Μ Φυγοκεντρική δύναμη Απομάκρυνση σκόνης από απαέρια Ηλεκτροστατικά φίλτρα Μ Ηλεκτροστατικές δυνάμεις Έλξης Απομάκρυνση σκόνης από απαέρια Μηχανικά φίλτρα Μ Μέγεθος σωματιδίων - Καθαρισμός αέρα
ΥΓΡΟ - ΥΓΡΟ Διαχωρισμός Κατηγορία Ιδιότητα Διαχωρισμού Μέσο Διαχωρισμού Τυπική Εφαρμογή Απόσταξη Σχετική πτητικότητα Εκχυλιστική Απόσταξη Προσθήκη διαλύτη που αλλάζει την πτητικότητα του συστατικού (θερμότητα) Διαλύτης και Κλασματική απόσταξη αργού πετρελαίου Αφυδάτωση αιθυλικής αλκοόλης με βενζόλιο Εκχύλιση Εκλεκτική σε Διαλύτη διαλυτότητα Διαλύτης Απομάκρυνση ακόρεστων υδρογ/κων από λιπαντέλαια με φουρφουράλη Ηλεκτροδιάλυσ η Μ Διαφορά διαπερατότητας μεμβρανών από διάφορα μόρια Απομάκρυνση αλάτων από νερό
ΥΓΡΟ - ΣΤΕΡΕΟ Διαχωρισμό ς Κατηγορία Ιδιότητα Διαχωρισμού Μέσο Διαχωρισμο ύ Καθίζηση Μ Διαφορά πυκνοτήτων - Φιλτράρισμα Μ Μέγεθος κόκκου στερεών έναντι μεγέθους πόρου ηθμού Φυγοκέντριση Μ Διαφορά πυκνότητας Ξήρανση στερεών Κρυστάλλωσ η Πυκνότητα υγρού Αποβολή κρυστάλλων από υπερκορεσμένα διαλύματα - (θερμότητα) Τυπική Εφαρμογή Απομάκρυνση στερεών από απόνερα Καθαρισμός υγρών Πρώτο στάδιο ξήρανσης στερεών Ξήρανση τροφών Παραγωγή ζάχαρης
ΣΤΕΡΕΟ - ΣΤΕΡΕΟ Διαχωρισμό ς Κατηγορί α Ιδιότητα Διαχωρισμού Μέσο Διαχωρισμο ύ Κοσκίνισμα Μ Μέγεθος σωματιδίων - Μαγνητικοί Διαχωρισμοί Επίπλευση Εξάχνωση Μ Μ Μαγνητικές ιδιότητες ορισμένων από τα σωματίδια Προσκόλληση ελαφρών συστατικών σε φυσαλίδες αέρα Διαφορά πυκνότητας στερεών - Τυπική Εφαρμογή Διαχωρισμός υλικών κατά μεγέθη Απομάκρυνση προσμίξεων σιδήρου από μη μαγνητικά υλικά Εμπλουτισμός μεταλλευμάτων Καθαρισμός μετάλλων
3. ΕΠΙΛΟΓΗ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑΣ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΥ Η δυσκολία του προβλήματος της επιλογής έγκειται στο ότι κάθε σύστημα εμφανίζει ειδικά χαρακτηριστικά που εμποδίζουν την ανάπτυξη γενικής μεθόδου. Προκειμένου να εντοπισθεί η καταλληλότερη διεργασία για το διαχωρισμό ενός νέου συστήματος, εξετάζονται τα εξής: Ο παράγοντας διαχωρισμού (εκφράζει το εφικτό ή μη του διαχωρισμού) Η προσθήκη υλικού (επιλογή μεταξύ εμμέσων και αμέσων διεργασιών) Οι συνθήκες λειτουργίας Η τεχνολογική πείρα Τιμή προϊόντος Για την επιλογή με βάση τα προηγούμενα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι: Η κρισιμότητά τους είναι συνάρτηση του συστήματος που εξετάζεται. Το αποτέλεσμα που λαμβάνεται είναι προκαταρκτικό και για την τελική απόφαση απαιτείται ποσοτική ανάλυση. Πρέπει να σημειωθεί ότι για τα συνήθη συστήματα που διαχωρίζονται σε βιομηχανική κλίμακα έχουν παγιωθεί οι χρησιμοποιούμενες διεργασίες. Παρ όλα αυτά η διαδικασία επιλογής επιβάλλεται κάτω από τις νέες συνθήκες που διαμορφώνουν η τεχνολογική εξέλιξη και συνεχής ανάγκη για μεγαλύτερη εξοικονόμηση υλικών και ενέργειας.
Α. Παράγοντας Διαχωρισμού Είναι το βασικότερο χαρακτηριστικό του συστήματος προκειμένου να γίνει επιλογή μεθόδου διαχωρισμού. Εξετάζοντας τη σχετική πτητικότητα, τη διαλυτότητα, τη διαπερατότητα κ.α. των συστατικών του συστήματος καταλήγουμε σε ένα αριθμό διεργασιών, οι οποίες εκφράζουν το «εφικτό» του διαχωρισμού. Από αυτή την εξέταση συγχρόνως αποκλείονται οι διεργασίες εκείνες που κάνουν αδύνατο το διαχωρισμό π.χ. η κλασματική απόσταξη όταν το σύστημα εμφανίζει αζεότροπο σημείο. Η ιδιότητα διαχωρισμού αντανακλά τα μοριακά χαρακτηριστικά των συστατικών του συστήματος. Κατά συνέπεια αυτά τα χαρακτηριστικά δίνουν ένα μέτρο της ευκολίας ή δυσκολίας του διαχωρισμού. Στον Πίνακα.2. φαίνεται η εξάρτηση μερικών διεργασιών από τα μοριακά μεγέθη (μοριακό βάρος, όγκος κλπ.).
Πίνακας.2. Εξάρτηση των Διεργασιών Διαχωρισμού από τα Μοριακά Μεγέθη των Συστατικών Διεργασία Διαχωρισμού Μοριακό Βάρος Μοριακός Όγκος Σχήμα Μορίου Διπολική Ροπή Απορρόφηση Απόσταξη Εκρόφηση Εκχύλιση Κρυστάλλωση Υπερδιήθηση Υπερφυγοκέντριση 2* 2 2 3 2 2 2-2 3 2-2 - - * 2 3 Κλιμάκωση του βαθμού επίδρασης
Β. Προσθήκη Υλικού Προκειμένου να γίνει επιλογή μεταξύ άμεσων και έμμεσων διεργασιών προτιμώνται οι πρώτες. Με αυτό τον κανόνα ο αριθμός των διεργασιών, που έχει προκύψει εφαρμόζοντας το κριτήριο του παράγοντα διαχωρισμού, περιορίζεται σημαντικά. Η προτίμηση στις άμεσες διεργασίες οφείλεται στο ότι το προστιθέμενο υλικό: Απαιτεί έναν ακόμη διαχωρισμό για την ανάκτησή του Δημιουργεί προβλήματα καθαρότητας του προϊόντος Οι έμμεσες μέθοδοι είναι απαραίτητες όταν: Τα σημεία ζέσης των συστατικών είναι γειτονικά (π.χ. διαχωρισμός βουταδενίου, σ.ζ. 4.75 ο C, από βουτυλένιο, σ.ζ. 5 ο C). Η σχετική πτητικότητα των συστατικών είναι μικρή (π.χ. διαχωρισμός οξικού οξέος από νερό).
Γ. Συνθήκες Λειτουργίας Στις Διεργασίες που απομένουν μετά την εφαρμογή των προηγουμένων κριτηρίων εξετάζονται: Η αντοχή των προϊόντων στις συνθήκες λειτουργίας, και Το κόστος, τόσο της επένδυσης όσο και της λειτουργίας. Προϊόντα, όπως χυμοί φρούτων, πενικιλίνη, αντιβιοτικά κ.α. όταν επεξεργάζονται ακόμη και σε θερμοκρασίες κανονικού σημείου ζέσης συνήθως αποικοδομούνται. Σ αυτές τις περιπτώσεις η αντοχή του υλικού στις συνθήκες λειτουργίας είναι καθοριστικός παράγοντας για την επιλογή της διεργασίας διαχωρισμού. Εάν το εξεταζόμενο σύστημα δεν εμφανίζει «ευαισθησία» στις συνθήκες λειτουργίας, τότε το κριτήριο που εφαρμόζεται είναι το κόστος.
Κόστος / Kcal 50 25 00 75 50 25 0-00 -75-50 -25 0 25 50 75 00 Θερμοκρασία (οc) Σχήμα Κόστος Θέρμανσης / Ψύξης Στο Σχήμα παρουσιάζεται μια αντιπροσωπευτική καμπύλη κόστους (σε συμβατικές μονάδες) θέρμανσης / ψύξης ως συνάρτηση της θερμοκρασίας (ανάλογη είναι και η καμπύλη της πίεσης). Από το Σχήμα αυτό είναι προφανές ότι όσο οι συνθήκες λειτουργίας είναι πλησιέστερα στις συνθήκες περιβάλλοντος τόσο το κόστος είναι μικρότερο.
Δ. Τεχνολογική Πείρα Τιμή Προϊόντος Το επίπεδο τεχνολογικής ανάπτυξης (ωριμότητας) μια διεργασίας είναι βασικός παράγοντας επιλογής. Με βάση αυτό, διεργασίες όπως υπερδιήθηση, υπερφυγοκέντριση κ.α. με μικρή τεχνολογική πείρα σε εφαρμογές αποφεύγονται. Η τιμή του τελικού προϊόντος είναι ένα κριτήριο που σχετίζεται με τη δυναμικότητα. Προϊόντα με χαμηλή τιμή συνήθως προϋποθέτουν παραγωγή σε μεγάλες ποσότητες (commodity chemicals). Από αυτή την άποψη αποκλείονται διεργασίες μικρής δυναμικότητας (π.χ. αντίστροφη ώσμωση). Στις περισσότερες περιπτώσεις τα δύο προηγούμενα κριτήρια εξετάζονται ταυτόχρονα. Προκειμένου π.χ. για προϊόν με μεγάλη τιμή δεν αποκλείεται η χρησιμοποίηση διεργασίας με μικρή τεχνολογική πείρα (π.χ. υπερκρίσιμη εκχύλιση για την ανάκτηση προϊόντων υψηλής προστιθέμενης αξίας). Η επιβάρυνση για την τεχνολογική ανάπτυξη μιας τέτοιας διεργασίας σε σχέση με την επιδιωκόμενη μείωση του κόστους καθορίζει την τελική απόφαση.