1 Absorpcja i EkstrakcjaInżynieria Chemiczna i Procesowa Absorpcja i Ekstrakcja Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

2 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWiększość 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

3 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaPrzenoszenie 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

4 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaRozpatrzmy 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

5 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaPrzy pominięciu oporu międzyfazowego stężenie na powierzchni rozdziału możemy wyznaczyć jako równowagowe: i możemy dzięki temu określić siły napędowe procesu transportu masy w każdej fazie: gdzie: pi , ci – stężenie składnika dyfundującego na powierzchni międzyfazowej. p, c – stężenia w głębi faz. Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

6 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaStężenia 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 prosta przechodząca przez punkt (p, c) i (pi , ci) Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

7 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaZ powyższego wykresu wynika, że stosunek stężeń w oby fazach zależy od oporów wnikania wyrażanych wartościami współczynników wnikania kc i kp 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 Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

8 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaRozkład sił napędowych procesu wygląda następująco: Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

9 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaZastosowanie stężeń równoważnych umożliwia określenie strumienia masy składnika w postaci zależności: współczynniki przenikania masy Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

10 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaRozkład 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 główny opór wnikania masy znajduje się po stronie cieczy Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

11 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaBardzo zła rozpuszczalność gazu: główny opór wnikania masy znajduje się po stronie gazu ciecz gaz Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

12 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaJeżeli pomiędzy stężeniami równowagowymi istnieje proporcjonalność, np. w układzie gaz – ciecz obowiązuje prawo Henry`ego : współczynnik przenikania masy może być łatwo określony. Zgodnie z zależnościami dla stężeń równoważnych możemy napisać: oraz dla stężeń na granicy faz: Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

13 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaCzyli: eliminując z całkowitą różnicę stężeń: Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

14 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaPostępując analogicznie Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

15 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaDyskusja równań dla skrajnych wartości m potwierdza wnioski wyprowadzone wcześniej: m  bardzo małe (słaba rozpuszczalność gazu w cieczy) opory po stronie gazu m  bardzo duże (dobra rozpuszczalność gazu w cieczy) opory po stronie cieczy Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

16 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaAbsorpcja 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

17 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaPary 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

18 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaZ 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 Absorpcja chemiczna Polega na rozpuszczaniu absorbowanego składnika w rozpuszczalniku. 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

19 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaRównowaga absorpcyjna Faza gazowa : składnik absorbowany, składnik inertny , pary rozpuszczalnika Faza ciekła: rozpuszczalnik, rozpuszczony gaz i częściowo rozpuszczony gaz inertny Zawartość par rozpuszczalnika w gazie oraz gazu inertnego w cieczy jest pomijalna. T = const 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 xB  Absorpcja Gaz y* i ciecz xC  Desorpcja Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

20 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaW celu przeprowadzenia bilansu materiałowego procesu składy wyraża się w postaci X kg składnika absorbowanego na 1 kg rozpuszczalnika: Ułamek molowy składnika Masy cząsteczkowe W fazie gazowej Y kg składnika na 1 kg gazu inertnego : Ciśnienie cząstkowe składnika absorbowanego Ciśnienie całkowite Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

21 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaDysponując 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

22 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaMaleje rozpuszczalność Rośnie rozpuszczalność Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

23 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaBilans procesu: Wlot = Wylot Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

24 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaDla odcinka kolumny: Zależność pomiędzy składem jednej i drugiej fazy w dowolnym przekroju apartu: Linia operacyjna Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

25 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaNachylenie nie może być dowolnie małe. Istnieje wartość min Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

26 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWyznaczanie liczby półek teoretycznych Linia operacyjna Linię równowagi często można Przybliżyć równaniem: Linia równowagi Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

27 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaEkstrakcja Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

28 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaProces 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 EKSTRAKT mieszanie rozdzielanie RAFINAT Roztwór pierwotny Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

29 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

30 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

31 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

32 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

33 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

34 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

35 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

36 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

37 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

38 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

39 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

40 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

41 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

42 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

43 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

44 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

45 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

46 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

47 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

48 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

49 Inżynieria Chemiczna i ProcesowaWykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja