Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Absorpcja i Ekstrakcja

Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja


Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

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 rozdzielaniasubstancji, np. ekstrakcja, absorpcja, destylacja, suszenie itp..



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 rozpuszczalnościmożemy określić jako równowagowe.



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



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

ii cp

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

icipA cckppkN

gdzie: pi , ci – stężenie składnika dyfundującegona powierzchni międzyfazowej. p, c – stężeniaw głębi faz.



krzywa równowagi

p

c

i

i

k

k

cc

pp

Stężenia w głębi faz są łatwe do określenia i z reguły znane, dysponując zależnościąopisującą krzywą równowagi możemy określić stężenia panujące na powierzchnimiędzyfazowej:

ip

ci cck

kpp

prosta przechodząca przez punkt (p, c) i (pi , ci)



Z powyższego wykresu wynika, że stosunek stężeń w oby fazach zależy od oporówwnikania wyrażanych wartościami współczynników wnikania kc i kp oraz od kształtu krzywej równowagi.

Operowanie w obliczeniach wartościami stężeń na powierzchni międzyfazowej jestniewygodne , dlatego też równanie przenikania doprowadza się do postaci, w którejjako 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 mieszaniniegazowej

cp *

pc *



Rozkład sił napędowych procesu wygląda następująco:



Zastosowanie stężeń równoważnych umożliwia określenie strumienia masy składnikaw postaci zależności:

ccKppKN CPA **

współczynniki przenikania masy



Rozkład stężeń w obu fazach zależy od położenia linii równowagi, w skrajnychprzypadkach bardzo dobrej lub bardzo złej rozpuszczalności gazu w równaniachmożna stosować współczynniki wnikania gazu:

Bardzo dobra rozpuszczalność gazu: *cci

gazcieczgłówny opór wnikania masyznajduje się po stronie cieczy

cckN cA *



Bardzo zła rozpuszczalność gazu: *ppi

gazciecz

główny opór wnikania masyznajduje się po stronie gazu

*ppkN pA



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

cmp

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

*cmp

cmp * cp *

pc *

oraz dla stężeń na granicy faz:

ii cmp



Czyli: icipA cckppkN

cckcckmN icipA *

eliminując z ccKppKN CPA ** całkowitą różnicę stężeń:

cpC kkmK111



Postępując analogicznie

icipA cckppkN

ipic

A ppkppmk

N *

cPP km

kK 11



Dyskusja równań dla skrajnych wartości m potwierdza wnioski wyprowadzonewcześniej:

cpC kkmK111

cPP km

kK 11m bardzo małe

(słaba rozpuszczalnośćgazu w cieczy)

pP kK

cC kK m bardzo duże(dobra rozpuszczalnośćgazu w cieczy)

cckN cA *

opory po stronie cieczy

*ppkN pA

opory po stronie gazu


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

Rozdzielenie mieszaniny gazowej usunięcie zanieczyszczeń Rozdzielenie mieszaniny gazowej usunięcie zanieczyszczeń

Mieszanina Gazowa

Dwu składnikowa

Mieszanina Gazowa

Dwu składnikowa

CieczCiecz

Faza ciekła jest jednoskładnikowa. Rozpuszczalnik jest tak dobrany aby rozpuszczałsie w nim tylko jeden ze składników mieszaniny gazowej. Warunek selektywnościFaza ciekła jest jednoskładnikowa. Rozpuszczalnik jest tak dobrany aby rozpuszczałsie w nim tylko jeden ze składników mieszaniny gazowej. Warunek selektywności



Pary alkoholu metylowego zawarte w powietrzu mogą być zaabsorbowane w wodziePonieważ alkohol dobrze rozpuszcza się w wodzie a powietrze słabo. Pary alkoholu metylowego zawarte w powietrzu mogą być zaabsorbowane w wodziePonieważ alkohol dobrze rozpuszcza się w wodzie a powietrze słabo.

Rozpuszczalnik ciekły musi się jeszcze charakteryzować dużą pojemnością absorpcyjną Rozpuszczalnik ciekły musi się jeszcze charakteryzować dużą pojemnością absorpcyjną

Duża pojemność absorpcyjna oznacza możliwość rozdzielenia danej mieszaniny gazowej w stosunkowo niewielkiej objętości płynu. Duża pojemność absorpcyjna oznacza możliwość rozdzielenia danej mieszaniny gazowej w stosunkowo niewielkiej objętości płynu.

Ekonomia i techniczne rozwiązanie procesu Ekonomia i techniczne rozwiązanie procesu

Duże strumienie, nakłady energetyczne, koszty surowca itp..Duże strumienie, nakłady energetyczne, koszty surowca itp..

Potrzeba optymalizacjiPotrzeba optymalizacji



Z punktu widzenia doboru rozpuszczalnika ważną cechą jest możliwość odzyskaniaz mieszaniny ciekłej zaabsorbowanego gazu. Jest to ściśle związane z charakteremprocesu absorpcji :

Z punktu widzenia doboru rozpuszczalnika ważną cechą jest możliwość odzyskaniaz mieszaniny ciekłej zaabsorbowanego gazu. Jest to ściśle związane z charakteremprocesu absorpcji :

ABSOPRPCJA

Absorpcja fizycznaAbsorpcja fizyczna Absorpcja chemicznaAbsorpcja chemiczna

Polega na rozpuszczaniu absorbowanegoskładnika w rozpuszczalniku. Polega na rozpuszczaniu absorbowanegoskładnika w rozpuszczalniku.

Składnik mieszaniny gazowej reaguje zfazą ciekła, tworząc nowe związki podczasodwracalnej lub nieodwracalnejprzemiany chemicznej.

Składnik mieszaniny gazowej reaguje zfazą ciekła, tworząc nowe związki podczasodwracalnej lub nieodwracalnejprzemiany chemicznej.

Odzyskanie zaabsorbowanego składnikapolega na jego desorpcji w odpowiedniowysokiej temperaturze

Odzyskanie zaabsorbowanego składnikapolega na jego desorpcji w odpowiedniowysokiej temperaturze Odzyskanie składnika zależy od konkretnego

przypadku i własności reakcji chemicznej.Odzyskanie składnika zależy od konkretnegoprzypadku i własności reakcji chemicznej.



Równowaga absorpcyjnaRównowaga absorpcyjna

Faza gazowa : składnik absorbowany, składnik inertny , pary rozpuszczalnikaFaza gazowa : składnik absorbowany, składnik inertny , pary rozpuszczalnika

Faza ciekła: rozpuszczalnik, rozpuszczony gaz i częściowo rozpuszczony gaz inertnyFaza ciekła: rozpuszczalnik, rozpuszczony gaz i częściowo rozpuszczony gaz inertny

Zawartość par rozpuszczalnika w gazie orazgazu inertnego w cieczy jest pomijalna. Zawartość par rozpuszczalnika w gazie orazgazu inertnego w cieczy jest pomijalna.

Równowagę absorpcji można zatem przedstawićna płaszczyźnie dla zadanej temperatury jakozależność stężenia składnika absorbowanego w gazie (y) i w cieczy (x)

Równowagę absorpcji można zatem przedstawićna płaszczyźnie dla zadanej temperatury jakozależność stężenia składnika absorbowanego w gazie (y) i w cieczy (x)

T = const

Dla punktu (y*, x*) szybkość absorpcji z gazudo cieczy jest równa desorpcji z cieczy do gazu Dla punktu (y*, x*) szybkość absorpcji z gazudo cieczy jest równa desorpcji z cieczy do gazu

Gaz y* i ciecz xB Absorpcja

Gaz y* i ciecz xC Desorpcja



W celu przeprowadzenia bilansu materiałowego procesu składy wyraża sięw postaci X kg składnika absorbowanego na 1 kg rozpuszczalnika:W celu przeprowadzenia bilansu materiałowego procesu składy wyraża sięw postaci X kg składnika absorbowanego na 1 kg rozpuszczalnika:

01 Mx

xMX

Ułamek molowy składnikaUłamek molowy składnika

Masy cząsteczkoweMasy cząsteczkowe

W fazie gazowej Y kg składnika na 1 kg gazu inertnego :W fazie gazowej Y kg składnika na 1 kg gazu inertnego :

BMpP

pMY

Ciśnienie cząstkowe składnika absorbowanego Ciśnienie cząstkowe składnika absorbowanego

Ciśnienie całkowiteCiśnienie całkowite



Dysponując danymi doświadczalnymi dla danego ciśnienia ogólnego P możnaPrzedstawić izotermę równowagi (X, Y)Dysponując danymi doświadczalnymi dla danego ciśnienia ogólnego P możnaPrzedstawić izotermę równowagi (X, Y)

Nachylenie krzywejjest miarą stopnia rozpuszczalności

Nachylenie krzywejjest miarą stopnia rozpuszczalności



Rośnie rozpuszczalnośćRośnie rozpuszczalność

Maleje rozpuszczalnośćMaleje rozpuszczalność



Bilans procesu:Bilans procesu:

0110 GYLXGYLX

Wlot = WylotWlot = Wylot



Dla odcinka kolumny:Dla odcinka kolumny: 00 YYGXXL

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

00 YXXG

LY Linia operacyjnaLinia operacyjna



00 YXXG

LY Nachylenie nie może być dowolnie małe. Istnieje wartość minNachylenie nie może być dowolnie małe. Istnieje wartość min

0*1

01

min XX

XX

G

L



Wyznaczanie liczby półek teoretycznychWyznaczanie liczby półek teoretycznych

Linię równowagi często możnaPrzybliżyć równaniem:Linię równowagi często możnaPrzybliżyć równaniem:

mXY

Linia równowagiLinia równowagi

Linia operacyjnaLinia operacyjna



Ekstrakcja



Proces ekstrakcji polega na przenikaniu składnika z rotworu do drugiej fazy ciekłej, Rozpuszczalnika. W wyniku czego otrzymujemy EKSTRAKT i RAFINAT.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; EKSTRAKT roztwór składnika cennego w rozpuszczalniku;

RAFINAT pozostałości roztworu pierwotnegoRAFINAT pozostałości roztworu pierwotnego

mieszanie

Rozpuszczalnik

Roztwór pierwotny

rozdzielanie

EKSTRAKT

RAFINAT












































Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Documents