ΦΥΣΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΜΑΖΑΣ Απορρόφηση Απόσταξη - Εκχύλιση Κρυστάλλωση Ξήρανση

Απορρόφηση αερίων φυσική και χημική Παραδείγματα βιομηχανικών εφαρμογών 1)   Απορρόφηση SΟ3 κατά την παραγωγή θειικού οξέος. 2)   Απορρόφηση HCl κατά την παραγωγή υδροχλωρικού οξέος. 3)   Απορρόφηση οξειδίων του αζώτου κατά την παραγωγή νιτρικού οξέος. 4] Απορρόφηση ενώσεων του φθορίου κατά την παραγωγή λιπασμάτων. 5)   Απορρόφηση ατμών των υδρογονανθράκων από τα αέρια επεξεργασίας πετρελαίου. 6) Απορρόφηση ΝΗ3,CO2,H2S κατά την αεριοποίηση των γαιανθράκων 7)   Καθαρισμός καυσαερίων από το SO2. 8)   Απορρόφηση O2 στα υδατικά διαλύματα κατά τις αερόβιες ζυμώσεις και το βιολογικό καθαρισμό. Συνδυασμός της απορροφήσεως και εκροφήσεως επιτρέπει την ανάκτηση του αερίου και την πολλαπλή χρησιμοποίηση του απορροφητικού.

Ισορροπία αερίων-υγρών Ισορροπία=f(P,T,C και ιδιοτήτων αερίου και ρευστού) Κανόνας φάσεων Gibbs: f + π = c +2 f = βαθμός ελευθερίας του συστήματος π = αριθμός φάσεων c = αριθμός συστατικών π=2 και c=3  F=3 Pt=const T=const PAe = f(XA) εάν 

ιδανικά διαλύματα: νόμος Raoult πραγματικά διαλύματα: νόμος Henry [αραιά διαλύματα] Henry ή Dalton m=συντελεστής κατανομής

διαγράμματα διαλυτότητας αερίων Νόμος Henry : P=f(XA) YA=f(XA) 1/H=f(T) PA=f(λόγου αερίου/υγρού)

διαλυτότητα ↑ : πίεση ↑ ή Η ↓ διαλυτότητα ↑ : πίεση ↑ ή Η ↓ q - διαφορική θερμότητα διαλύσεως αερίου C - σταθερά εξαρτώμενη από τη φύση του αερίου R – παγκόσμια σταθερά αερίων Πολύ διαλυτό αέριο η αντίσταση στην αέρια φάση Ενδιάμεση περίπτωση Λίγο διαλυτό αέριο η αντίσταση στην υγρή φάση Καμπύλες ισορροπίας Ye=f(X) πυκνών διαλυμάτων

Βιομηχανικοί διαλύτες – κριτήρια επιλογής Προϋποθέσεις ιδανικού βιομηχανικού διαλύτη : Να έχει μεγάλο ρυθμό απορρόφησης . Να παρουσιάζει ικανοποιητικές συνθήκες μεταφοράς θερμότητας. Να μην είναι πτητικός, τοξικός, διαβρωτικός και αναφλέξμος. Να έχει χαμηλό κόστος. Να έχει χαμηλό ιξώδες, ώστε να επιτυγχάνονται μικρή πτώση πιέσεως κατά την άντληση του. Περισσότερο διαδεδομένοι διαλύτες στη χημική βιομηχανία : νερό τα διαλύματα αμινών τα διαλύματα αλκαλίων τα ορυκτέλαια.

Διεργασίες μεταφορά μάζας : η κινητήρια δύναμη (Δc, ΔY, ΔX, ΔP) μεταβάλλεται συνεχώς κατά μήκος της συσκευής. Η μεταβολή της κινητήριας δύναμης εξαρτάται : Από τον τρόπο επαφής των φάσεων (διαφορική ή κατά βαθμίδες). Από τον τρόπο ροής των φάσεων (ομορροή ή αντιρροή). Από την καμπυλότητα των γραμμών ισορροπίας και λειτουργίας.

ΑΡΧΕΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ ΣΥΣΚΕΥΩΝ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ Λειτουργία συσκευών με - μεταφορά μάζας σε βαθμίδες ισορροπίας - διαφορική (συνεχή) μεταφορά μάζας y , x : μοριακά κλάσματα του υπό κατανομή συστατικού στις φάσεις ΦY και ΦX. η συνάρτηση y = f(x) καλείται γραμμή λειτουργίας

διεργασίες μεταφοράς μάζας κατά βαθμίδες ισορροπίας μία βαθμίδα ισορροπίας : κατά ομορροή απορρόφηση L, G : moles ή kmoles/m2·sec

μια βαθμίδα ομορροή μερικά ισοζύγια μάζας L2∙x2+G2∙y2=L1∙x1+G1∙y1=L∙x+G∙y αραιά μίγματα L=L1=L2, G=G1=G2 G(y2-y1) = L(x1-x2) = -L(x2-x1) γραμμή λειτουργίας ΚΠ Ε = βαθμός απόδοσης

πυκνά μίγματα L≠L1 ≠ L2, G ≠ G1 ≠ G2 G′=ροή αδρανούς αερίου L′=ροή καθαρού διαλύτη π.χ. αέριο μίγμα Α/Β G′=G1(1-y1)=G2(1-y2)=G(1-y) L′=L1(1-x1)=L2(1-x2)=L(1-x) μερικά ισοζύγια μάζας : G′Y1+L′X1=G′Y2+L′X2 G′Y1+L′X1=G′Y+L′X

πυκνά μίγματα : αλλαγή αξόνων σε Χ, Υ πυκνά μίγματα : αλλαγή αξόνων σε Χ, Υ αραιά μίγματα πυκνά μίγματα G(y2-y1)=L(x1-x2)=-L(x2-x1) G(y-y1)=L(x1-x)=-L(x-x1) G′(Y2-Y1)= L′ (X1-X2)=-L′ (X2-X1) G′(Y-Y1)=L′(X1-X)=-L′(X-X1) κλίση γραμμής λειτουργίας

κατά ομορροή απορόφηση αραιών μιγμάτων κατά ομορροή απορόφηση y=f(x) Y=f(X) κατά ομορροή απορόφηση αραιών μιγμάτων κατά ομορροή απορόφηση πυκνών μιγμάτων

y=f(x) Y=f(X) κατά ομορροή εκρόφηση αραιών μιγμάτων κατά ομορροή εκρόφηση πυκνών μιγμάτων

στήλες με βαθμίδες ισορροπίας : κατά αντιρροή απορρόφηση n =ροή εξόδου (n+1) ή (n-1)= ροή εισόδου

μερικά ισοζύγια μάζας L2∙x2+G1∙y1=L1∙x1+G2∙y2 L1∙x1+G∙y=L∙x+G1∙y1 αραιά μίγματα L=L1=L2, G=G1=G2 γραμμή λειτουργίας ΚΠ πυκνά μίγματα L′∙X2+G′∙Y1=L′∙Y1+G′∙Y2 L′∙X1+G∙Y=L′∙X+G′∙Y1 γραμμή λειτουργίας ΚΠ

γραμμή ισορροπίας γραμμή λειτουργίας Henry

Mc Cabe – Thiele : γραφική απεικόνιση στήλης Ν βαθμίδων xN yN σύσταση στην έξοδο των δίσκων xN yN+1 σύσταση ενδιαμέσως των δίσκων xN+1 yN-1 σύσταση τροφοδοσίας των δίσκων

τροφοδοσίας των δίσκων συστάσεις xn yn+1 ενδιαμέσως των δίσκων xn yn στην έξοδο των δίσκων xn+1 yn-1 τροφοδοσίας των δίσκων

γραμμή λειτουργίας – ελάχιστος λόγος ροής υγρού/αερίου γραφική μέθοδος Mc Cabe-Thiele δεδομένα : G, X2, Y1, Y2 - ζητούμενα: L, X1 (απορροή υγρού) G, X1, X2 L, Y1, Y2 Εάν Χ1=Χ2  (L/G)= Εάν Χ1=Χ1e  Στην πράξη : (L/G)opt=β·(L/G)min 1.25<β<1.5

επανάληψη γραμμή λειτουργίας – ελάχιστος λόγος ροής υγρού/αερίου δεδομένα : G, X0, Y1, YΝ+1 - ζητούμενα: L, XΝ (απορροή υγρού) x0 y1 επανάληψη (1) N Βαθμίδες (N) xN yN+1 (L/G)min : xN→x0 (L/G)max: xN→xmax xmax=xe για y(N+1) στην πράξη : (L/G)opt=β·(L/G)min 1.25<β<1.5

Mc Cabe – Thiele : υπολογισμός των θεωρητικών βαθμίδων γραφικά Κατασκευή γραμμής ισορροπίας Κατασκευή γραμμής λειτουργίας με κλίση (L/G)opt Σχεδίαση μεταξύ αυτών των ορθογωνίων τριγώνων αρχίζοντας από την κορυφή της στήλης Κ. Ε = ολική απόδοση της στήλης 30% ≤ Ε ≤ 80% Ν = αριθμός θεωρητικών βαθμίδων Ν´= αριθμός πραγματικών βαθμίδων

G, X1, X2 L, Y1, Y2 y=f(x) Y=f(X) κατά αντιρροή απορρόφηση πυκνών μιγμάτων

κατά αντιρροή εκρόφηση πυκνών μιγμάτων κατά αντιρροή εκρόφηση G, X1, X2 L, Y1, Y2 y=f(x) Y=f(X) κατά αντιρροή εκρόφηση πυκνών μιγμάτων κατά αντιρροή εκρόφηση αραιών μιγμάτων

Επίδραση θερμοκρασίας. Μη ισόθερμη λειτουργία πύργου απορρόφησης Απορρόφηση : εξώθερμη Θερμοκρασία ↑ : Διαλυτότητα ↓ : κινητήρια δύναμη (Y1-Ye) ↓ Συνεχής απομάκρυνση εκλυόμενης θερμότητας

Απορρόφηση πολυσύνθετων μιγμάτων π.χ. C3, C4, C5 - ορυκτέλαια Σε διάγραμμα Υ-Χ κατασκευή γραμμών ισορροπίας Ye=m·X. 2. Επιλογή του συστατικού π.χ. C4 που διαχωρίζεται οικονομικά. 3. Βάσει των συστάσεων κατασκευάζεται η γραμμή λειτουργίας με (L/G)opt. 4. Προσδιορισμός θεωρητικών βαθμίδων (McCabe-Thiele ή Kremser) 5. Κατασκευάζονται με μέθοδο δοκιμής σφάλματος οι γραμμές λειτουργίας των υπόλοιπων συστατικών ώστε να προκύπτει ο ίδιος αριθμός θεωρητικών βαθμίδων Απορροφούνται πλήρως τα περισσότερο διαλυτά (π.χ. πεντάνιο) και μερικώς τα πτητικότερα (π.χ. προπάνιο).

Πύργοι με πληρωτικά υλικά διατάξεις συνεχούς λειτουργίας με αντιρροή Πύργος απορρόφησης με πληρωτικά υλικά

Πύργοι με πληρωτικά υλικά Διατάξεις συνεχούς λειτουργίας με αντιρροή. Ιδανικό πληρωτικό υλικό : 1. Να παρέχει μεγάλη επιφάνεια επαφής υγρού/αερίου. 2. Να διαβρέχεται καλά από το υγρό και να το κατανέμει ικανοποιητικά . 3. Να είναι χημικώς αδρανές ως προς τα ρευστά (υγρό, αέριο) . 4. Να έχει μεγάλη μηχανική αντοχή, όχι όμως και υπερβολικό βάρος. 5. Να παρέχει ικανοποιητικές συνθήκες ροής των ρευστών (χωρίς πλημμύριση του υγρού και μικρή πτώση πιέσεως για το αέριο). (μεγάλο πορώδες ε της κλίνης). 6. Να έχει χαμηλό κόστος. Σύσταση υλικών πληρώσεως Πρώτη ύλη : (χαμηλό κόστος, σχετικώς ελαφρά και αδρανή υλικά) πορσελάνη, γραφίτης, κεραμικά και τα πλαστικά (πολυπροπυλένιο) επίσης και τα πληρωτικά από αλουμίνιο και ανοξείδωτο χάλυβα. Σχήμα : ανώμαλο ή κοίλο, για μεγάλο πορώδες κλίνης (ε > 60%).

Κυριότερα χαρακτηριστικά πληρωτικών υλικών : 1. Το μέγεθος του υλικού (συνήθως κυμαίνεται από 1/4´´ έως 3´´). 2 Το βάρος 3 Η ειδική επιφάνεια a, σε m2/m3. 4 Το πορώδες ε. 5. Ο παράγοντας πληρώσεως C= a/ε3 (30<C<600 m2/m3). Διάταξη πληρωτικού υλικού στον πύργο : - κανονική - τυχαία (ακανόνιστη) Κυριότεροι τύποι πληρωτικών υλικών: α) Δακτύλιοι Rasching, β) δακτύλιοι Lessing, γ) δακτύλιοι Pall, δ) σάγματα Berl, ε) σάγματα Intralox.

διάφοροι τύποι πληρωτικών υλικών

Μέση κινητήρια δύναμη x2=xin y2=yout αέρια φάση : υγρή φάση : x1=xout Μ: kgmole/h F:επιφάνεια επαφής, V:όγκος συσκευής, S:εγκάρσια διατομή και Z:ύψος συσκευής. x1=xout y1=yin Μέση κινητήρια δύναμη ή

σε ένα διαφορικό τμήμα του πύργου, ύψους dz και επιφάνειας επαφής dF είναι : L, G : kmoles/h·m2 M, dM : kmoles/h σε όλη τη συσκευή ομοίως

Ζ = ύψος συσκευής (m)

Αριθμός και ύψος μονάδων μεταφοράς Chilton και Colburn : αριθμός μονάδων μεταφοράς (NOG, NOG) Υπολογισμός του NOG με γραφική ολοκλήρωση.

ειδικός συντελεστής μεταφοράς μάζας ύψος μονάδας μεταφοράς HOG : αέρια φάση HOL : υγρή φάση ειδικός συντελεστής μεταφοράς μάζας KY·a ή KG·a : αέρια φάση KX·a ή KL·a :υγρή φάση

Υδραυλικές αντιστάσεις στους πύργους με πληρωτικά υλικά ολική ροή (Kg/m2·s) D, u → G σε Kg/m2·s 1 ξηρό γέμισμα (L=0). 2,3 διαβρεχόμενο γέμισμα για ροές υγρού L2 και L3. (L3>L2) Φ σημείο φόρτισης Π σημείο πλημμυρίσεως (ή αναστροφής) Διαγράμματα πτώσης πίεσης (G σε Kg/m2·s). ταχύτητα πλημμύρισης uf : ρG : πυκνότητα αερίου ταχύτητα ευνοϊκής (οικονομικής) λειτουργίας u : συνήθως 0.5uf<u<0.8uf

Εκρόφηση (σε πύργο εκρόφησης ή εξάντλησης) Ανάκτηση του απορροφημένου αερίου από το διαλύτη. 1.  Εκτόπιση με αδρανές αέριο ή με υδρατμό. Υδρατμός για εκρόφηση αερίων αδιάλυτων στο νερό. Απομάκρυνση υδρατμών από το μίγμα αερίου/υδρατμών σε συμπυκνωτήρα. 2. Πρόσδοση θερμότητας στο απορροφητικό. Εάν εξατμίζεται και ό διαλύτης σε αποστακτική στήλη 3. Μείωση της πιέσεως υπεράνω του απορροφητικού

άλλες συσκευές απορρόφησης Πύργοι καταιονισμού Αναδευόμενα δοχεία Πλυντήρια Venturi Στήλες διαβρεχόμενων τοιχωμάτων

συσκευές απορρόφησης αερίων Εξασφαλίζουν - την άμεση επαφή των ρευστών - μεγάλη διφασική επιφάνεια Ταξινόμηση. κριτήριο ταξινόμησης : τρόπος σχηματισμού της επιφάνειας επαφής. 1) συσκευές επιφανειακές και τύπου υμένος, 2) συσκευές με πληρωτικά υλικά, 3) συσκευές με δίσκους, 4) συσκευές διασκορπισμού. κριτήριο ταξινόμησης : διασκορπισμός αερίου ή το υγρού. 1) Τις συσκευές διασκορπισμού αερίου. αναδευόμενα δοχεία αντιδράσεων και οι στήλες (διάτρητες, με κάψες, με βαλβίδες). 2) Τις συσκευές διασκορπισμού υγρού (σε σταγόνες ή σε λεπτό στρώμα). συσκευές διαβρεχόμενων τοιχωμάτων, τα πλυντήρια Venturi, οι πύργοι καταιονισμού και οι πύργοι με πληρωτικά υλικά.