Inżynieria Chemiczna i Procesowa Absorpcja i Ekstrakcja

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Większość przemysłowych procesów wymiany masy polega na przenikaniu składnika lub kilku składników z głębi jednej fazy do drugiej przez powierzchnię międzyfazową. Należą do tej grupy bardzo ważne praktycznie procesy rozdzielania substancji, np. ekstrakcja, absorpcja, destylacja, suszenie itp.. Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Przenoszenie masy podczas przenikania obejmuje trzy następujące etapy: 1) Wnikanie masy z wnętrza pierwszej fazy do powierzchni międzyfazowej 2) przenoszenie masy przez powierzchnię międzyfazową 3) wnikanie masy od powierzchni między fazowej do wnętrza drugiej fazy Stwierdzono doświadczalnie, że opór powierzchniowy przenoszenia jest pomijalny, a zatem sytuacja na granicy faz odpowiada stanowi równowagi dynamicznej.

Stąd też stężenia na powierzchni rozdziału faz układu o ograniczonej rozpuszczalności możemy określić jako równowagowe. Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Rozpatrzmy typowy ustalony proces przenikania masy pomiędzy fazą gazową i ciekłą. Stosownie do teorii dwóch warstw granicznych przyjmujemy, że szybkość przenoszenia masy po obu stronach powierzchni międzyfazowej uzależniona jest wyłącznie od oporów dyfuzyjnych warstw zastępczych.

Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Przy pominięciu oporu międzyfazowego stężenie na powierzchni rozdziału możemy wyznaczyć jako równowagowe:

p i

   

i

i możemy dzięki temu określić siły napędowe procesu transportu masy w każdej fazie:

N A



k p

 

p



p i

  

k c

 

c



c i

 gdzie: p i , c i – stężenie składnika dyfundującego na powierzchni międzyfazowej. p, c – stężenia w głębi faz. Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Stężenia w głębi faz są łatwe do określenia i z reguły znane, dysponując zależnością opisującą krzywą równowagi możemy określić stężenia panujące na powierzchni międzyfazowej: krzywa równowagi   

p c

 

c i p i

  

k c k p p



p i



k k p c

 

c



c i

 prosta przechodząca przez punkt (p, c) i (p i , c i ) Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Z powyższego wykresu wynika, że stosunek stężeń w oby fazach zależy od oporów wnikania wyrażanych wartościami współczynników wnikania k c i k p oraz od kształtu krzywej równowagi. Operowanie w obliczeniach wartościami stężeń na powierzchni międzyfazowej jest niewygodne , dlatego też równanie przenikania doprowadza się do postaci, w której jako siła napędowa występuje różnica stężeń w głębi obu faz. Wymaga to zdefiniowania stężeń równoważnych, a mianowicie stężenia p*, jakie było by w równowadze w stosunku do roztworu ciekłego o stężeniu c, lub odwrotnie, stężenia równowagowego c* odpowiadającego ciśnieniu cząstkowemu p w mieszaninie gazowej

p

*  

c

*     Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Rozkład sił napędowych procesu wygląda następująco: Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Zastosowanie stężeń równoważnych umożliwia określenie strumienia masy składnika w postaci zależności:

N A



K P

 

p



p

*  

K C

 

c

* 

c

 współczynniki przenikania masy Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Rozkład stężeń w obu fazach zależy od położenia linii równowagi, w skrajnych przypadkach bardzo dobrej lub bardzo złej rozpuszczalności gazu w równaniach można stosować współczynniki wnikania gazu: Bardzo dobra rozpuszczalność gazu: ciecz gaz

c i



c

* główny opór wnikania masy znajduje się po stronie cieczy

N A



k c

 

c

* 

c

 Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Bardzo zła rozpuszczalność gazu: ciecz

p i



p

* główny opór wnikania masy znajduje się po stronie gazu gaz

N A



k p

 

p



p

*  Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Jeżeli pomiędzy stężeniami równowagowymi istnieje proporcjonalność, np. w układzie gaz – ciecz obowiązuje prawo Henry`ego :

p



m



c

współczynnik przenikania masy może być łatwo określony. Zgodnie z zależnościami dla stężeń równoważnych możemy napisać:

c p

* *   oraz dla stężeń na granicy faz:  

p

* 

m



c p



m



c

*

p i



m



c i

Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

Czyli:

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

N A



k p

 

p



p i

  

k c

 

c



c i

 eliminując z

N A N A

 

m



k p K P

 

p

 

c

*  

c i p

*    

K C k c

 

c i

 

c

* 

c

 

c

 całkowitą różnicę stężeń: 1

K C

 1

m



k p

 1

k c

Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Postępując analogicznie

N A



k p

 

p



p i

  

k c

 

c



c i



N A



k c m

 

p i



p

*  

k p

 

p



p i

 1

K P

 1

k P



m k c

Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Dyskusja równań dla skrajnych wartości m potwierdza wnioski wyprowadzone wcześniej: m  bardzo małe (słaba rozpuszczalność gazu w cieczy) 1

K P

 1

k P



m k c K P N A



k p



k p

 

p



p

*  opory po stronie gazu m  bardzo duże (dobra rozpuszczalność gazu w cieczy) 1

K C

 1

m



k p

 1

k c K C N A



k c



k c

 

c

* 

c

 opory po stronie cieczy Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Absorpcja jest procesem wymiany masy pomiędzy faza gazową i fazą ciekła.

Rozdzielenie mieszaniny gazowej  usunięcie zanieczyszczeń Mieszanina Gazowa Dwu składnikowa Ciecz Faza ciekła jest jednoskładnikowa. Rozpuszczalnik jest tak dobrany aby rozpuszczał sie w nim tylko jeden ze składników mieszaniny gazowej.  Warunek selektywności Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Pary alkoholu metylowego zawarte w powietrzu mogą być zaabsorbowane w wodzie Ponieważ alkohol dobrze rozpuszcza się w wodzie a powietrze słabo. Rozpuszczalnik ciekły musi się jeszcze charakteryzować dużą pojemnością absorpcyjną Duża pojemność absorpcyjna oznacza możliwość rozdzielenia danej mieszaniny gazowej w stosunkowo niewielkiej objętości płynu. Ekonomia i techniczne rozwiązanie procesu Duże strumienie, nakłady energetyczne, koszty surowca itp..

Potrzeba optymalizacji Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Z punktu widzenia doboru rozpuszczalnika ważną cechą jest możliwość odzyskania z mieszaniny ciekłej zaabsorbowanego gazu. Jest to ściśle związane z charakterem procesu absorpcji : ABSOPRPCJA Absorpcja fizyczna Polega na rozpuszczaniu absorbowanego składnika w rozpuszczalniku. Absorpcja chemiczna Składnik mieszaniny gazowej reaguje z fazą ciekła, tworząc nowe związki podczas odwracalnej lub nieodwracalnej przemiany chemicznej.

Odzyskanie zaabsorbowanego składnika polega na jego desorpcji w odpowiednio wysokiej temperaturze Odzyskanie składnika zależy od konkretnego przypadku i własności reakcji chemicznej.

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Równowaga absorpcyjna Faza gazowa : składnik absorbowany, składnik inertny , pary rozpuszczalnika Faza ciekła: rozpuszczalnik, rozpuszczony gaz i częściowo rozpuszczony gaz inertny T = const Zawartość par rozpuszczalnika w gazie oraz gazu inertnego w cieczy jest pomijalna. Równowagę absorpcji można zatem przedstawić na płaszczyźnie dla zadanej temperatury jako zależność stężenia składnika absorbowanego w gazie (y) i w cieczy (x) Dla punktu (y*, x*) szybkość absorpcji z gazu do cieczy jest równa desorpcji z cieczy do gazu Gaz y* i ciecz x B  Absorpcja Gaz y* i ciecz x C  Desorpcja Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

W celu przeprowadzenia bilansu materiałowego procesu składy wyraża się w postaci X kg składnika absorbowanego na 1 kg rozpuszczalnika: Ułamek molowy składnika

X

  1 

xM x



M

0 Masy cząsteczkowe W fazie gazowej Y kg składnika na 1 kg gazu inertnego : Ciśnienie cząstkowe składnika absorbowanego

Y

 

P



pM p



M B

Ciśnienie całkowite Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Dysponując danymi doświadczalnymi dla danego ciśnienia ogólnego P można Przedstawić izotermę równowagi (X, Y) Nachylenie krzywej jest miarą stopnia rozpuszczalności Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Maleje rozpuszczalność Rośnie rozpuszczalność Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Bilans procesu: Wlot = Wylot

LX

0 

GY

1 

LX

1 

GY

0 Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Dla odcinka kolumny:

L



X



X

0  

Y



Y

0  Zależność pomiędzy składem jednej i drugiej fazy w dowolnym przekroju apartu:

Y



L G



X



X

0  

Y

0 Linia operacyjna Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Y



L G



X



X

0  

Y

0 Nachylenie nie może być dowolnie małe. Istnieje wartość min  

L G

  min 

X

1

X

* 1  

X

0

X

0 Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Wyznaczanie liczby półek teoretycznych Linia operacyjna Linię równowagi często można Przybliżyć równaniem: Linia równowagi

Y



mX

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa Ekstrakcja

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Proces ekstrakcji polega na przenikaniu składnika z rotworu do drugiej fazy ciekłej, Rozpuszczalnika. W wyniku czego otrzymujemy

EKSTRAKT

i

RAFINAT

.

EKSTRAKT

 roztwór składnika cennego w rozpuszczalniku;

RAFINAT

 pozostałości roztworu pierwotnego Rozpuszczalnik EKSTRAK T mieszanie rozdzielanie RAFINAT Roztwór pierwotny Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja