Inżynieria Chemiczna i Procesowa

Prezentacja na temat: "Inżynieria Chemiczna i Procesowa"— Zapis prezentacji:

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

2 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

3 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

4 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Przykład Czysta woda (absorbent) Oczyszczony gaz Woda zawierająca aceton Gaz zanieczyszczony (powietrze) Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

5 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Przepływ przeciw prądowy wody i gazu 99,5 % absorpcji acetonu w wodzie. Opuszczający gaz zawiera tylko 143 ppm (parts per milion) wagowo acetonu. Z bilansu masy wynika, że w procesie Nastąpiła również nieznaczna absorpcja O2 i N2 W wodzie Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

6 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 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

7 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Równowaga 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

8 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 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

9 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

10 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Maleje rozpuszczalność Rośnie rozpuszczalność Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

11 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

12 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. absorpcja, ekstrakcja, destylacja, suszenie itp.. Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

13 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

14 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Przy 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

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

16 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Z 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

17 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Rozkład sił napędowych procesu wygląda następująco: Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

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

19 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 główny opór wnikania masy znajduje się po stronie cieczy Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

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

21 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Jeżeli 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

22 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Czyli: eliminując z całkowitą różnicę stężeń: Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

23 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Postępując analogicznie Wykład nr 16 : Teoria procesów wymiany masy

24 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Dyskusja 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

25 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Proces jest realizowany głównie w kolumnach półkowych i kolumnach wypełnionych Kolumna z wypełnieniem Kolumna półkowa Kolumna barbotażowa Kolumna natryskowa Wirówka kontaktowa Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

26 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

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

28 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Bilans procesu: Wlot = Wylot Dla odcinka kolumny: Zależność pomiędzy składem jednej i drugiej fazy w dowolnym przekroju aparatu: Linia operacyjna Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

29 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Bilans procesu: Współczynnik kierunkowy Linia operacyjna Wykład nr 18 : Procesy stopniowane. Absorpcja i Ekstrakcja

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

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

32 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Różne sposoby realizacji procesu absorpcji W rozważaniach wcześniejszych nad adsorpcją wyprowadzono równanie linii operacyjnej oraz omówiono sposoby dobierania optymalnej wartości stosunku L / G. Wnioski te są w pełni aktualne również dla procesu absorpcji nie stopniowanej lecz „ciągłej” realizowanej w kolumnach wypełnionych. Z doboru L / G może się zdarzyć za mały przepływ cieczy przez wypełnienie  słabe i nierównomierne zraszanie złoża. Wówczas stosuje się kolumny z recyrkulacją cieczy Wykład nr 18 : ABSORPCJA ciągła

33 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Różne sposoby realizacji procesu absorpcji W rozważaniach wcześniejszych nad adsorpcją wyprowadzono równanie linii operacyjnej oraz omówiono sposoby dobierania optymalnej wartości stosunku L / G. Wnioski te są w pełni aktualne również dla procesu absorpcji nie stopniowanej lecz „ciągłej” realizowanej w kolumnach wypełnionych. Z doboru L / G może się zdarzyć za mały przepływ cieczy przez wypełnienie  słabe i nierównomierne zraszanie złoża. Wówczas stosuje się kolumny z recyrkulacją cieczy Wykład nr 18 : ABSORPCJA ciągła

34 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Różne sposoby realizacji procesu absorpcji W rozważaniach wcześniejszych nad adsorpcją wyprowadzono równanie linii operacyjnej oraz omówiono sposoby dobierania optymalnej wartości stosunku L / G. Wnioski te są w pełni aktualne również dla procesu absorpcji nie stopniowanej lecz „ciągłej” realizowanej w kolumnach wypełnionych. Z doboru L / G może się zdarzyć za mały przepływ cieczy przez wypełnienie  słabe i nierównomierne zraszanie złoża. Wówczas stosuje się kolumny z recyrkulacją cieczy Wykład nr 18 : ABSORPCJA ciągła

35 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Różne sposoby realizacji procesu absorpcji W rozważaniach wcześniejszych nad adsorpcją wyprowadzono równanie linii operacyjnej oraz omówiono sposoby dobierania optymalnej wartości stosunku L / G. Wnioski te są w pełni aktualne również dla procesu absorpcji nie stopniowanej lecz „ciągłej” realizowanej w kolumnach wypełnionych. Z doboru L / G może się zdarzyć za mały przepływ cieczy przez wypełnienie  słabe i nierównomierne zraszanie złoża. Wówczas stosuje się kolumny z recyrkulacją cieczy Wykład nr 18 : ABSORPCJA ciągła

36 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Stopień recyrkulacji ma wartość maksymalną linia operacyjna Y1 n=1 n nmax Y0 X1 X2 X* X X0 ciecz osiąga stan równowagi względem gazu odlotowego linia równowagi Wykład nr 18 : ABSORPCJA ciągła

37 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Aparaty absorpcyjne mogą pracować połączone w baterie. Najprostszy system - szeregowy: ( jedna kolumna podzielona na sekcje ) jedna linia operacyjna Wykład nr 18 : ABSORPCJA ciągła

38 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
w baterii takiej można stosować recyrkulację: Y0 Y2 Y1 X0 Y3 X3 X2 X1 skład cieczy zmienia się w kolumnach skokowo Wykład nr 18 : ABSORPCJA ciągła

39 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
W przypadku gdy chodzi o bardzo dobre oczyszczenie gazu, stosuje się zasilanie równoległe każdej z kolumn czystym rozpuszczalnikiem: X0 A oczyszczanie gazu A B C B C X1 średni skład cieczy z Y0 kreślimy linie o nachyleniu 3L/G Wykład nr 18 : ABSORPCJA ciągła

40 Inżynieria Chemiczna i Procesowa
Proces absorpcji może być prowadzony również współprądowo: bilans odcinka kolumny: rów. linii operacyjnej: Wykład nr 18 : ABSORPCJA ciągła