Embed Size (px)
Citation preview
1
PROCESEPROCESEDEDE
TRANSFERTRANSFERDE MASǍDE MASǍ
UNIVERSITATEA PETROL-GAZE PLOIEUNIVERSITATEA PETROL-GAZE PLOIEŞTIŞTI
CATEDRA INGINERIE CHIMICĂ ŞI A MEDIULUICATEDRA INGINERIE CHIMICĂ ŞI A MEDIULUI
Prof. dr. ing. Florin OpreaProf. dr. ing. Florin Oprea
2
Curs: 4 ore/sCurs: 4 ore/săptămânăăptămână
Total 56 ore de curs – 28 cursuriTotal 56 ore de curs – 28 cursuri
Laborator: 3 Laborator: 3 ore/sore/săptămână (OBLIGATORIU)ăptămână (OBLIGATORIU)
Total 42 ore – 7 laboratoareTotal 42 ore – 7 laboratoare
Testări periodice Testări periodice
- teste - teste (predate minim 90%) (predate minim 90%)
- teme de casă - teme de casă (predate minim 90%)(predate minim 90%)
Examen scris în două părţiExamen scris în două părţi
- teorie- teorie
- aplicaţii- aplicaţii
3
922.9
467.3
Mod de punctareMod de punctare
Pentru fiecare componentǎ se va da o notǎ (de la 0 la 10), media generalǎ fiind o medie ponderatǎ
Condiţii minimale:- Toate lucrǎrile de laborator sǎ fie executate- Fiecare notă la cele două componente ale examenului final sǎ fie
minim 5
Testele se predau la termenul anunţat (ziua Z):
- Z + 1 minus 10%
- > Z + 1 minus 100%
Teste curs 10%
Activitate laborator 10%
Examen final 60%
Prezenţǎ 20%
4
Condiţii obligatorii de intrare în examenul finalCondiţii obligatorii de intrare în examenul final
- Predare 90% teste curs- Predare 90% teste curs
- Predare 90% teme de casă- Predare 90% teme de casă
(atenţie testele identice nu vor fi luate în seamă)(atenţie testele identice nu vor fi luate în seamă)
Efectuarea tuturor lucrărilor de laboratorEfectuarea tuturor lucrărilor de laborator
(conform regulamentului nu se admite recuperarea (conform regulamentului nu se admite recuperarea în ultima săptămână decât a 30% din lucrările de în ultima săptămână decât a 30% din lucrările de laborator – 3 lucrări). Deci cu mai mult de trei laborator – 3 lucrări). Deci cu mai mult de trei lucrări neefectuate nu se intră în examenlucrări neefectuate nu se intră în examen
5
Prezentul fişier reprezintă numai notiţe de curs. Ele sunt completate cu explicaţiile şi precizările făcute în timpul cursului. Ele nu se substituie şi nu pot înlocui bibliografia indicată.
Eventualele erori se datorează editării. Corectarea lor şi eventualele comentarii se vor primi în timpul orelor de curs.
Autorul nu îşi ia nici o răspundere privitoare la erori. Reproducerea este interzisă.
Prezenţa este obligatorie pentru o corectă receptare a cursului.
6
Bibliografie alternativBibliografie alternativăă
• Costică Strătulă – Procese de vaporizarea şi condensare; cap. 7.3, în G. C. Suciu – Ingineria prelucrării hidrocarburilor, vol. 2, Editura Tehnică, 1985
• Costică Strătulă şi Gheorghe Sburlea – Fracţionarea; cap. 7.4, în G. C. Suciu – Ingineria prelucrării hidrocarburilor, vol. 3, Editura Tehnică, 1985
7
Bibliografie complementarBibliografie complementarăă
• W. L. McCabe, J. C. Smith, P. Harriott, Unit Operation of Chemical Engineering, McGraw-Hill, 2001;
• J. M. Coulson and J. F. Richardson, Chemical Engineering, vol. 1, 2 and 6, Butterworth and Heinemann, 2001;
• J. D. Seader and E. J. Henley, Separation Process Principles, John Wiley & Sons, Inc., 1998
• H. Z. Kister – Distillation – (1) Design, (2) Operation, (3) Troubleshooting
8
Bibliografie obligatorieBibliografie obligatorie• Gheorghe Sburlea – Echilibrul lichid – vapori, cap. 7.2, în G. C. Suciu – Ingineria
prelucrării hidrocarburilor, vol. 2, Editura Tehnică, 1985
• Costică Strătulă – Vaporizarea şi condensarea, principii şi metode de calcul, Editura
Tehnică, 1986;
• Costică Strătulă – Fracţionarea, principii şi metode de calcul, Editura Tehnică,
1986;
• Constantin Taran – Absorbţia şi desorbţia, în G. C. Suciu – Ingineria prelucrării
hidrocarburilor, vol. 3, cap. 7.5, Editura Tehnică, 1987
• Constantin Taran – Adsorbţia şi desorbţia, în G. C. Suciu – Ingineria prelucrării
hidrocarburilor, vol. 3, cap. 7.6, Editura Tehnică, 1987
• Ion Precup şi Gheorghe Sburlea – Extracţia lichid – lichid, în G. C. Suciu –
Ingineria prelucrării hidrocarburilor, vol. 3, cap. 7.7, Editura Tehnică, 1987
9
10
11
12
Fundalul vaporizării şi fracţionării distilarea este o operaţie unitară antică; distilarea se practică de mii de ani; aplicaţiile timpurii utilizează vaporizarea şi condensarea brută; cel mai des sunt utilizate pentru concentrarea băuturilor alcoolice; 1813 - prima distilerie verticală a fost dezvoltată de Jean-Baptiste
Cellier Blumenthall în Franţa – operare continuă; 1820 - prima distilerie cu umplutură (bile de sticlă) a fost introdusă de Nicolas Clement; 1822 - primul taler cu clopoţei a fost introdus de Anthony Perrier
în Anglia; 1830 - Primul taler tip sită (perforat) a fost dezvoltat de Aneas Coffey (în distileriile scoţiene de whiskey;
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
Derosne’s still
26
1893 - prima carte de fracţionare
La Rectification de l'alcool
Ernest Sorel
27
Începând din primul sfert al secolului XIX fracţionarea a devenit dintr-o unealtă de creştere a conţinutului de alcool al băuturilor în prima tehnică de separare din industrie.
Expansiunea s-a accelerat din momentul în care fracţionarea a fost recunoscută ca modalitatea efectivă de transformare a ţiţeiului în diferite produse. De aici s-a împrăştiat în întrega industrie chimică.
Repere din secolul XX
- Metoda Sorel de calcul
- Metoda McCabe-Thiele
- Ecuaţile Fenske – Underwood – Gilliland
- metode numerice de calcul – calculatoare electronice
28
De ce fracţionarea?
Fracţionarea este operaţia de separare care a c onstituit şi va continua să fie principala metodă de separare în ciuda unei inerente eficienţe termodinamice scăzute.
Primordialitatea şi proeminenţa fracţionării pentru separarea amestecurilor nu este accidentală, este fundamentală şi puţin probabil să fie înlocuită. Motivele sunt atât cinetice cât şi termodinamice.
29
Din punct de vedere cinetic:
În fracţionare transferul de masă pe unitatea de suprafaţă este limitat numai de rezistenţa la difuzie la interfaţa vapori – lichid în regim turbulent;
Oricare alt proces de separare există solvenţi inerţi sau materiale solide prezente care micşorează fluxul;
Ca atare, fracţionarea are cel mai mare potenţial pentru transfer de masă ridicat ceea ce duce la costuri de capital reduse
30
Din punct de vedere termodinamic:
Termodinamica arată conceptual că realizarea unei separări ar necesita o energie minimă egală cu energia liberă Gibbs de amestec;
Însă eficienţa termodinamică tipică în fracţionare este de aproximativ 10%; Aceasta poate fi îmbunătăţită prin intercondensări interrefierberi
Deşi eficenţa de 10% pare mică, nu prea multe alte procese de separare sunt mai eficiente;
Considerând cele două aspecte, de departe fracţionarea este cel mai BUN proces de separare la momentul actual şi aşa va fi mult timp de acum încolo:
- Cele mai mari capacităţi;- Cele mai mici costuri unitare.
3131
Capitolul 1Capitolul 1
Elemente de Elemente de
ingineria ingineria
proceselor de separareproceselor de separare
32
33
1.1 Importanţa separărilor1.1 Importanţa separărilor
Trăim într-o lume a amestecurilor: hrana pe care o mâncăm, benzina pe care o consumă maşina noastră etc. De ce atunci este necesar studiul separării amestecurilor?
Separarea amestecurilor în constituenţii care le compun a fost o practică de milenii. Încă din era primitivă omul a dezvoltat tehnici, mai mult sau mai puţin complexe, de:
extragere - metalele din minereuri, parfumuri din plante,
evaporare - apa de mare în vederea obţinerii sării,
distilarea băuturilor.
Mai mult chiar, omul nu poate “funcţiona” fără rinichi, care sunt o membrană capabilă să separe selectiv apa şi produşi reziduali ai metabolismului din sânge.
34
Mult mai recent, separările au devenit cruciale în ingineria chimică.
Separările, care includ:
imbogăţirea; concentrarea; purificarea; rafinarea; şi izolarea
sunt importante atât pentru chimişti cât şi pentru inginerii chimişti.
35
Chimiştii
utilizează tehnici preparative/separare la scară de laborator, tehnici asemănătoare metodelor de separare analitice (cum ar fi cromatografia).
În ceea ce priveşte inginerii chimişti,
aceştia sunt mai aplecaţi spre aspectele industriale de obţinere a produselor chimice, utilizând în acest scop metode economice aplicate la scară mare.
36
O analogie poate fi sugerată prin exemplul următor:
în laborator chimiştii separă şi analizează amestecuri de hidrocarburi uşoare prin cromatografie în faza gaz;
în instalaţii industriale de mare capacitate inginerii chimişti separă aceleaşi amestecuri utilizând, de exemplu, fracţionarea.
37
Separări
analitice
• scală redusă
• analiză cantitativă
Separăripreparative
• scală redusă
• materiale pentru
CD (R&D)
Separări industriale
• scală mare
• economice
Examplu:Cromatografia
Examplu:Centrifugarea
Examplu:Fracţionarea
De notat: 50 … 90 % din capitalul investit în uzinele chimice este De notat: 50 … 90 % din capitalul investit în uzinele chimice este
pentru echipamentele de separare.pentru echipamentele de separare.
Lista diferitelor separări existente este nelimitată.Lista diferitelor separări existente este nelimitată.Ca atare vom evidenţia fundamentele separărilorCa atare vom evidenţia fundamentele separărilor
38
Totuşi: amestecarea este inerentă în natură: creşterea entropiei asociată cu caracterul aleatoriu al amestecului coboară energia liberă Gibbs.
Ca atare, pentru a “de-amesteca/separa” o soluţie trebuie să învingem forţa motrice entropică de amestec.
39
1.2. Procese industriale de separare1.2. Procese industriale de separare M
ate
rii p
rim
e
Subproduse
Separatoare
Reactor Separator
Separare sipurificare
Reciclu
Pro
du
se
40
Operaţiile sunt clasificate ca operaţii cheie şi auxiliare • operaţii cheie: implică reacţii sau separări
Exemple: reactoare, fracţionǎri, etc• operaţii auxiliare : nu implică schimbări în compoziţia chimică
Exemple: pompe, compresoare, încălzitoare, etc
Diagramele bloc (Block Flow Diagrams) indică:• operaţiile cheie cu dreptunghiuri şi• fluxurile cu linii
Schemele tehnologice de proces (Process Flow Diagrams) indică procesele prin:
• simboluri realiste ale echipamentelor de proces• include operaţiile auxiliare
41
Produsele implicate în aceste procese pot fi: materii prime minerale; materii prime de natură vegetală sau animală; intermediari; produse finite/comerciale; rezidii/deşeuri.
42
Un proces chimic poate implica unul sau mai multe moduri de operare:
discontinuu continuu semicontinuu
43
1.3 Introducere în proiectarea 1.3 Introducere în proiectarea proceselorproceselor
O idee care a revoluţionat proiectarea şi operarea diferitelor procese a fost aceea de operaţie unitară. Ideea de bază este aceea că, deşi modul specific de proiectare poate varia în funcţie de ce produşi trebuie separaţi, principiile de bază ale proiectării pentru o metodă dată de separare, de exemplu, sunt aceleaşi întotdeauna. De exemplu, fie că separăm etanol de apă, fie că separăm diferite hidrocarburi, principiile de bază ale fracţionării sunt aceleaşi.
44
Ca atare, fracţionarea, absorbţia, extracţia etc. pot fi numite operaţii unitare. Mai mult, metodele de proiectare pentru procese înrudite pot fi aceleaşi. De exemplu, atât fracţionarea, cât şi absorbţia sunt operaţii bazate pe contactarea fazelor lichid-vapori, şi deci proiectarea va fi similară ambelor operaţii unitare.
45
o strategie bazată pe şapte paşi
i - vreau să potii - defineşte problemaiii - cercetează şi gândeşte la eaiv - planificăv - fă-ovi - verificăvii - generalizează
46
Pasul prim este un pas de motivare şi încredere.
Trebuie să-ţi aminteşti că eşti avansat în ingineria chimică deoarece poţi rezolva problemele.
Cu cât mai multe probleme diferite rezolvi, cu atât devii mai bun.
Aminteşte-ţi mereu că vrei să înveţi cum să rezolvi probleme de inginerie chimică şi că o poţi face.
47
În pasul ii trebuie să defineşti problema.
Fii sigur că înţelegi clar toate cuvintele.
Desenează sistemul şi etichetează părţile componente.
Listează variabilele cunoscute şi restricţiile. Descrie ce ai de făcut.
Este foarte posibil, dacă nu ai definit clar problema, că nu vei fi capabil să o rezolvi.
48
În pasul iii cercetezi şi gândeşti problema.
Ce ai de făcut într-adevăr?
Care sunt principiile de bază pe care ar trebui să le aplici?
Poţi găsi o soluţie limitativă simplă care îţi dă limita soluţiei actuale?
Este problema sub-/supra-definită?
Lasă-ţi mintea să se joace cu problema şi să o “mestece”.
Întoarce-te apoi la pasul i pentru a te asigura că încă priveşti problema în acelaşi fel.
Dacă nu, redefineşte instrucţiunile problemei şi continuă.
49
În pasul iv planifici cum să-ţi divizezi problema şi decizi care parte/părţi sunt atacate întâi.
Teoriile specifice şi principiile trebuie selectate, alegând metodele matematice corespunzătoare.
Rezolvarea părţilor componente necesită resurse ca date, hârtie, calculator.
În timp ce o faci, noi subprobleme pot apare; poţi găsi că nu ai uneori suficiente date să rezolvi problema.
Reîntoarce-te la secvenţele anterioare ale problemei pentru a soluţiona aceste subprobleme.
50
Pasul următor (v) fă-o, este adesea primul pe care cei fără experienţă încearcă să îl facă.
Acum calculele matematice sunt efectuate, numerele sunt introduse şi se generează rezultatele.
Dacă planul a fost incomplet, este posibil să fii incapabil să termini acest pas.
În acest caz, reia algoritmul de la pasul ii.
51
În pasul vi verifică rezultatele.
Este corect ordinul de mărime? În ultimă instanţă, de exemplu, coloanele industriale nu sunt înalte nici de 25 cm şi nici de 25 km.
Pare rezultatul rezonabil? Poate că ai introdus numere greşite (“garbage in, garbage out”).
Se poate găsi o alternativă de rezolvare care să verifice rezultatele?
Dacă găseşti erori ori inconsistenţă, revin-o la paşii anteriori şi rezolvă problema din nou.
52
Pasul vii, generalizarea, este important dar adesea neglijat.
Trebuie să înveţi cât mai mult posibil din această problemă.
Fenomenele particulare incluse au efect important sau pot fi ignorate.
Generalizarea îţi permite să devii un bun rezolvator de probleme.
53
Primii paşi nu te fac să te simţi confortabil.
Eşti tentat să porneşti calculul în loc de a defini cu grijă problema.
Foloseşte apropierile sistematice; sunt mai bune în problemele dificile decât “porneşte calculul, poate merge”.
54
Nici o carte de inginerie nu există într-un vid prealabil. Sunt cerute întotdeauna materiale şi abilităţi pregătitoare:
Prima cerinţă, de multe ori sărită, este aceea de a fi capabil de a citi bine. Dacă nu o faci, cere ajutor imediat.
Al doilea set de cerinţe implică abilităţi matematice. Trebuie să fie cunoscute algebra şi rezolvarea ecuaţiilor şi sistemelor de ecuaţii. Altă cerinţă importantă este analiza grafică ca şi trasarea liniilor şi curbelor.
Al treilea domeniu al cerinţelor priveşte bilanţurile de materiale şi energie şi echilibrele de fază.
A patra cerinţă este aceea de a avea abilităţi în rezolvarea problemelor. Este o condiţie esenţială.
În sfârşit, se cer abilităţi în operarea şi programarea calculatoarelor şi computerelor. Cele mai multe probleme reale implică utilizarea lor.
55
1.4. Mecanisme de separare1.4. Mecanisme de separare
Amestecarea substanţelor chimice pentru a forma amestecuri este un proces spontan care este însoţit de creşterea entropiei. Procesul invers, separarea amestecurilor în constituenţi substanţe chimice, nu este un proces spontan; el necesită un consum de energie. În general, un amestec care trebuie separat apare ca o singură fază (solid, lichid sau gaz). Atunci când sunt prezente mai multe faze, acestea sunt adesea separate utilizând procedee mecanice (gravitaţionale, centrifugale, reducere de presiune) sau apelând la câmpuri exterioare (electrice, magnetice) şi apoi, tehnici corespunzătoare de separare pentru fiecare fază separată.
56
Extinderea separării va fi limitată deECHILIBRUL TERMODINAMIC
G’
0 1
G' A0
G A
G B
G' B0
XB
SM
0
S ASB
XB 1
Reamintiţivă că există o forţă motrice “infinită” Reamintiţivă că există o forţă motrice “infinită” asociată cu îndepărtarea ultimului atom de impuritate asociată cu îndepărtarea ultimului atom de impuritate
dintr-o substanţă purădintr-o substanţă pură
57
Amestec dealimentare
pentru separare
Produs 1
Produs 2
Produs N-1
Produs N
...
58
Tehnici generale de separare:(a) separare prin crearea unei noi faze;
(b) separare prin adăugarea unui agent material de separare (AMS);(c) separare printr-o barieră (membrană);
(d) separare prin utilizarea unui agent solid;(e) separare prin utilizarea unui câmp de forţe sau gradient
Alim entare
Faza 1
Faza 2
Alim entare
Alim entare
Faza 1
Faza 1
Faza 2
Faza 2
Alim entare Faza 1
Faza 2
Alim entare
Faza 1
Faza 2
AM S
Crearede faza
C im p deforte saugradient
Bariera
(a) (b)
(c)
(d) (e)
59
Atunci când alimentarea este constituită dintr-o singură fază (fie ea gazoasă, lichidă sau solidă) cea de a doua fază, nemişcibilă, trebuie formată/introdusă pentru a realiza separarea componenţilor. Procesul poate avea loc prin două procedee:
prin intermediul unui agent energetic de separare (AES);
prin adăugarea unui agent material de separare (AMS).
Primul caz implică transfer de căldură sau/şi transfer de lucru mecanic spre/de la amestecul de separat. O alternativă ar fi apariţia unei faze vapori prin reducerea presiunii.
1.4.1 Separări prin crearea de faze sau adăugarea 1.4.1 Separări prin crearea de faze sau adăugarea
unei noi fazeunei noi faze
60
Un AMS poate fi parţial miscibil cu unul sau mai mulţi componenţi ai amestecului, frecvent acesta rămânând componentul aflat în cea mai mare proporţie în faza adăugată. Alternativ, AMS-ul poate fi miscibil cu una din fazele existente (şi în urma acţiunii unui AES), în acest caz alterând volatilitatea relativă a unuia sau a mai multor componenţi. Acest tip de acţiune poate fi întâlnit în fracţionarea extractivă.
În principiu, cele două faze odată create, prin contactul intim al lor, se îmbunătăţeşte transferul de masă astfel încât se poate ajunge mai repede în apropierea echilibrului termodinamic. După ce fazele au fost în contact, separarea lor este realizată sub influenţa gravitaţiei sau prin intermediul altor câmpuri de forţe.
61
Operaţia de separare
Simbolizare Fază iniţială sau de ali-mentare
Fază adăugată sau creată
Agent de separare
Aplicaţii industriale
Vaporizare/ condensare parţială
Vapori şi/sau lichid
Lichid sau vapori Transfer de căldură (AES)
Recuperarea H2 şi N2 din amoniac prin condensare parţială şi separarea fazelor la înaltă presiune
Vaporizare la echilibru adiabatică
Lichid Vapori Reducerea presiunii
Recuperarea apei din apa de mare
Fracţionare extractivă V/L
L
L
AM S
Vapori şi/sau lichid
Lichid şi vapori Solvent lichid (AMS) şi transfer de căldură (AES)
Separarea acetonei şi metanolului
62
O p e r a ţ i a d e s e p a r a r e
S i m b o l i z a r e F a z ă i n i ţ i a l ă
s a u d e a l i -m e n t a r e
F a z ă a d ă u g a t ă s a u c r e a t ă
A g e n t d e s e p a r a r e
A p l i c a ţ i i i n d u s t r i a l e
A b s o r b ţ i e c u r e f i e r b ă t o r
V/L
L
AMS
V
V a p o r i ş i / s a u l i c h i d
L i c h i d ş i v a p o r i A b s o r b a n t l i c h i d ( A M S ) ş i t r a n s f e r d e c ă l d u r ă ( A E S )
Î n d e p ă r a t r e a e t a n u l u i ş i a h i d r o c a r b u r i l o r c u m a s e m o l e c u l a r e m i c i d i n G P L
A b s o r b ţ i e
V
L
AMS
V
V a p o r i L i c h i d L i c h i d a b s o r b a n t ( A M S )
S e p a r a r e a d i o x i d u l u i d e c a r b o n d i n c o m b u s t i e p r i n a b s o r b ţ i e î n s o l u ţ i i a p o a s e d e e t a n o l a m i n e
S t r i p a r e
L
L
AMS
V
L i c h i d V a p o r i V a p o r i p e n t r u s t r i p a r e ( A M S )
S t r i a p a r e c u a b u r a b e n z i n e i , p e t r o l u l u i , m o t o r i n e i î n s t r i p e r e l a t e r a l e d e l a d i s t i l a r e a a t m o s f e r i c ă p e n t r u î n d e p ă r t a r e a f r a c ţ i i l o r u ş o a r e
U s c a r e
V (V)
L/(S) S
L i c h i d ş i a d e s e a s o l i d
V a p o r i G a z ( A M S ) ş i / s a u t r a n s f e r d e c ă l d u r ă ( A E S )
U s c a r e a P C V c u a e r c a l d î n s t r a t f l u i d i z a t
63
Operaţia de separare
Simbolizare Fază iniţială sau de ali-mentare
Fază adăugată sau creată
Agent de separare
Aplicaţii industriale
Stripare cu abur şi cu reflux
V/L
L/V
L
AMS
AMS
Vapori şi/sau lichid
Lichid şi vapori
Vapori pentru stripare (AMS) şi transfer de căldură (AES)
Separarea produselor de la cocsarea întârziată
Stripare cu refierbător
L
L
V
Lichid Vapori Transfer de căldură (AES)
Recuperarea aminelor absorbante
Fracţionare azeotropă V/L
L
L
AMSrecirculat
CompletareAMS
Vapori şi/sau lichid
Lichid şi vapori Lichid antrenant (AMS) şi transfer de căldură
Separarea acidului acetic de apă utilizând ca antrenant acetatul de butil
64
Operaţia de separare
Simbolizare Fază iniţială sau de ali-mentare
Fază adăugată sau creată
Agent de separare
Aplicaţii industriale
Extracţie lichid-lichid
L’
L’‘
AMS
L’
Lichid Lichid Solvent lichid (AMS)
Recuperarea aromaticelor
Extracţie lichid-lichid cu doi solvenţi
L
L
AMS-1
L
AMS-2
Lichid Lichid Doi solvenţi lichizi (AMS1 şi AMS2)
Utilizarea propanului şi a acidului cresilic ca solvenţi pentru separarea parafinelor de aromatice şi naftene
Evaporare
Lichid Vapori Transfer de căldură (AES)
Evaporarea apei din soluţiile apoase de uree
Cristalizare L
Lichid Solid (şi vapori) Transfer de căldură (AES)
Cristalizarea para-xilenului din amestecul cu meta-xilenul
65
Operaţia de separare
Simbolizare Fază iniţială sau de ali-mentare
Fază adăugată sau creată
Agent de separare
Aplicaţii industriale
Desublimare
Vapori Solid Transfer de căldură (AES)
Recuperarea anhidridei ftalice din gazele necondensabile
Extracţie lichid-solid
S
AMS
L
S
Solid Lichid Solvent lichid Extracţia zahărului din sfeclă de zahăr cu apă caldă
Separare fracţionată spume AMS
V
L
Lichid Gaz Barbotare de gaz (AMS)
Recuperarea detergenţilor din apele reziduale
66
1.4.2 Separarea prin membrane
Sunt numeroase cazurile în care utilizarea unuia sau a altuia sau a unor combinaţii dintre precedentele procedee nu duce la rezultatele aşteptate din punct de vedere al purităţii şi/sau gradelor de recuperare sau din punct de vedere al consumurilor energetice.De aceea cercetările din ultima vreme au condus la dezvoltarea unor noi procese cu unele rezultate mai performante în anumite domenii specifice de aplicabilitate.Astfel, în ultima vreme câştigă teren o nouă categorie de procese care utilizează membrane poroase sau neporoase ca bariere semipermeabile.
A se audia cursulA se audia cursulProcese neconvenProcese neconvenţionale de separareţionale de separare
(curs opţional anul V)(curs opţional anul V)
67
Membranele se fabrică dintr-o mare diversitate de materiale (fibre naturale, polimeri sintetici, ceramice, metale, uneori fiind şi în stare lichidă), într-o mare diversitate de forme (plate, tubulare, plate înfăşurate).
Membranele poroase separă pe baza diferitelor viteze de difuzie în timp ce membranele neporoase separă pe baza diferenţelor de solubilitate şi a diferenţelor în vitezele de difuzie în materialul membranei.
68
Operaţia de separare
Simbolizare Fază iniţială sau de alimentare
Agent de separare Aplicaţii industriale
Osmoză
Lichid Membrană neporoasă
Osmoză inversă
L L
L
Lichid Membrană neporoasă cu gradient de presiune
Desalinizarea apei de mare
Dializă
L L
L
Lichid Membrană poroasă cu gradient de presiune
Recuperarea sodei din hemiceluloză
Microfiltrare
L L
L
Lichid Membrană microporoasă cu gradient de presiune
Îndepărtarea bacteriilor din apa de băut
69
Operaţia de separare
Simbolizare Fază iniţială sau de alimentare
Agent de separare Aplicaţii industriale
Ultrafiltrare
L L
L
Lichid Membrană microporoasă cu gradient de presiune
Separarea zerului din brânză
Pervaporare
L L
V
Lichid Membrană neporoasă cu gradient de presiune
Separarea amestecurilor azeotrope
Permeaţie de gaze
V V
V
Vapori Membrane neporoase cu gradient de presiune
Îmbogăţire în hidrogen
Membrane lichide
V/L V/L
V/L
Vapori şi/sau lichid Membrane lichide cu gradient de concentraţie
Îndepărtarea hidrogenului sulfurat
70
1.4.3 Separarea pe agenţi solizi
Separările care utilizează agenţi solizi de separare sunt prezentate în tabelul următor. Aceşti agenţi, sub formă de material granular sau umplutură, acţionează fie ca un suport pentru un strat subţire de adsorbat fie intră în reacţie chimică cu diferiţii componenţi ai amestecului de alimentare. În timp adsorbantul se saturează cu speciile adsorbite, fiind necesară regenerarea sau înlocuirea periodică.
71
Operaţia de
separare Simbolizare
Fază iniţială
sau de
alimentare
Agent de
separare Aplicaţii industriale
Adsorbţie
V/L
V/L
V/L
Vapori sau
lichid Adsorbant solid
Purificarea para-
xilenului
Cromatografie
V/L
V/L
Vapori sau
lichid
Adsorbant solid
sau adsorbant
lichid pe suport
solid
Separarea izomerilor xilenului şi a etilbenzenului
Schimbători de
ioni
L
L
L
Lichid
Răşini
schimbătoare de
ioni
Demineralizarea apei
72
1.4.4 Separarea în câmpuri de forţe exterioare
Moleculele şi ionii pot răspunde în moduri diferite la acţiunea unor forţe, câmpuri de forţe sau gradienţii acestora. Această proprietate poate fi utilizată la separarea diferitelor specii moleculare.
73
Operaţia de
separere
Fază iniţială sau de
alimentare Câmp de forţe sau gardient Aplicaţii industriale
Centrifugare Vapori Câmp de forţe centrifugal Separarea izotopilor
uraniului
Difuzie termică Vapori sau lichid Gradient de temperatură Separarea izotopilor
clorului
Electroliză Lichid Câmp de forţe electrice Concentrarea apei
grele
Electrodializă Lichid Câmp de forţe electrice şi
membrană
Desalinizarea apei
de mare
Electroforeză Lichid Câmp de forţe electrice Recuperarea
hemicelulozei
74
1.5 Elemente de cuantificare a 1.5 Elemente de cuantificare a performanţelor unui proces de performanţelor unui proces de
separareseparare
1.5.1 Puritate şi recuperare
75
Orice proces de separare se supune legii conservării masei. Ca atare, dacă nu are loc o reacţie chimică iar procesul este continuu şi în regim staţionar atunci, pentru orice component i dintr-un amestec de C componenţi, debitul parţial masic/molar în alimentare, , este egal cu suma debitelor parţiale masice/molare ale acelui component în cele N produse/faze p:
Pentru a rezolva ecuaţiile (1-1), respectiv a obţine valorile pornind de la valorile sunt necesare suplimentar N-1 ecuaţii independente care implică . Rezultă astfel un număr de NC ecuaţii în NC necunoscute. Atunci când într-un proces sunt implicate mai multe fluxuri de alimentare, este suma tuturor alimentărilor.
)(Fin
)()1()2()1(
1
)()( Ni
Niii
N
p
pi
Fi nnnnnn
(1-1)
)( pin
)(Fin
)( pin
)(Fin
76
Proiectarea şi operarea diferitelor echipamente de separare se face ţinând cont de recuperările componenţilor şi de puritatea
produselor dorite.Gradul de separare al unui component i într-unul dintre cele două
produse separate în aparatul k poate fi raportat la alimentare, numindu-se fracţie de tăiere sau grad de recuperare, ca în ecuaţia
(1-2), sau la celălalt produs, numindu-se raport de tăiere, ca în ecuaţia (1-3), indicii superiori referindu-se la cele două produse,
1 sau 2 şi la alimentare, F. Astfel:
)(,
)1(,/1
, Fki
kiFki n
nSF (1-2)
ki
ki
ki
kik SF
SF
n
nSR
,
,
)2(,
)1(,2/1
,1 1 (1-3)
Fracţia de tăiere sau grad de recuperare
Raport de tăiere
77
Atât pentru fiecare aparat de separare, cât şi pentru o succesiune de aparate, se poate calcula gradul de recuperare al unui component (adesea procentual), ca raport dintre debitul parţial al componentului respectiv în fluxul în care acesta se obţine majoritar şi debitul parţial al aceluiaşi component în alimentare.
O altă mărime ce poate cuantifica performanţele unei separări este puritatea produsului/produselor obţinute.
Atât gradul de recuperare (în diferite forme de exprimare) cât şi puritatea produselor sunt utilizate şi în conducerea proceselor ca specificaţii (mărimi de intrare) astfel încât să se obţină produsele cerute cu consumuri energetice cât mai scăzute.
78
1.5.1.5.22 Pu Putere de separaretere de separareÎn cele mai multe cazuri este necesar să se facă o separare cât mai netă între doi sau mai mulţi componenţi ai unui amestec. Gradul de separare, în oricare dintre cele două forme prezentate mai sus, gradul de recuperare şi puritatea depind de o serie de factori ca: debitele/cantităţile relative ale componenţilor în amestec, proprietăţile termodinamice şi de transfer de masă, alte proprietăţi ale componeţilor cheie, numărul de echilibre (talere teoretice) şi configuraţia acestora. De exemplu, pentru o coloană de fracţionare unde alimentarea se face aproximativ în zona de mijloc a coloanei, se pot distinge două zone, câte una de fiecare parte a talerului de alimentare, în care se poate realiza o separare relativ adâncă între doi componenţi (cheie), fiecare dintre cele două secţiuni fiind responsabilă de recuperarea a câte unui component.
79
Pentru un astfel de echipament se poate defini puterea de separare sau raportul de tăiere relativ, , funcţie de compoziţiile celor doi componenţi, i şi j, în cele două secţiuni ale coloanei, compoziţiile putând fi exprimate fie ca fracţii molare sau masice, fie ca moli şi mase raportate la unitatea de volum:
Putere de separare
Puterea de separare, numită şi factor de separare, poate fi definită şi în funcţie de raportul de tăiere şi de fracţia de tăiere:
jiSP ,
)2()1(
)2()1(
,jj
iiji CC
CCSP (1-4)
ji
ji
j
iji SFSF
SFSF
SR
SRSP
11, (1-5)
80
1.6 Alegerea proceselor de separare fezabile
Alegerea unui proces de separare are loc adesea dintr-o listă de procese fezabile. Dacă sunt de separat mai mult de doi componenţi atunci în mod obligatoriu sunt mai mult de două operaţii de separare. Chiar şi în cazul separării amestecurilor binare se apelează uneori la mai multe procese, un hibrid fiind mai avantajos din punct de vedere economic.Alegerea unuia sau altuia dintre multitudinea de procese de separare se face pe baza unor criterii care pot fi grupate în patru mari categorii:
Condiţiile alimentării: compoziţie; debit; temperatură; presiune; stare de agregare/condiţia termică.
81
Condiţiile impuse produselor: purităţi cerute; temperatură; presiune; stare de agregare.
Proprietăţile ale căror diferenţe pot fi folosite în separare: moleculare; termodinamice; de transport
Caracteristicile operaţiilor de separare: uşurinţă în trecerea la scară/mărirea capacităţii; uşurinţă în realizarea proceselor succesive; cerinţe de temperatură, presiune şi stări de agregare; limitaţii ale capacităţii; consum de energie;
82
Din prima categorie cel mai important factor este conţinutul în alimentare al componentului dorit. În figură se prezintă corelaţia dintre costul unui proces şi concentraţia componentului dorit în materia primă.
9
7
8
5
6
4
3
2
0
1
-10 -2-1 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9
Acidcitric
ZnCu
NiHg
CoPenicilinaAg
Renina
Insulina
Luciferaza
FactorVIII
Urochinaza
Lg
pre
t, $/
lb
Lg fractie m asica
83
Proprietăţile (moleculare) care permit realizarea unuia sau a altuia dintre procesele de separare sunt extrem de diverse. Orice clasificare nu poate fi decât parţială. În tabelul sunt prezente câteva dintre acestea.
Proprietate moleculară Proces de separare realizat pe baza proprietăţii
mărime microfiltrare (MF) ultrafiltrare (UF) dializă separări de gaze (GS) cromatografie de permeaţie de gel
presiune de vapori distilare distilare prin membrane (MD)
punct de congelare cristalizare afinitate (activitate) chimică extracţie
absrobţie adsorbţie hiperfiltrare (HF/RO) separări de gaze (GS) pervaporare (PV) cromatogarfie
încărcare electrostatică schimb ionic electrodializă (ED) electroforeză
densitate centrifugare natura chimcă complexare
membrane lichide (LM)
84
În decursul timpului au apărut şi s-au dezvoltat o serie de tehnici/procese de separare care au ajuns la o maturitate tehnologică. Altele au apărut de foarte mult timp, nereuşind să ajungă la un grad ridicat de utilizare în aplicaţiile comerciale. Acest lucru reiese foarte bine din corelaţia prezentată în figură.
Asim ptotatehnologica
Inventie
M aturitate tehnologica
Primaaplicatie
Asim ptotautilizarii
Mat
urita
tea
utili
zarii
Separari pe bazaafinita tii chimice
M em branelich ide Separari prin
inducere de cimp
Crom atografie de lichid
Extractie cusolventisupercritici
M em brane (alim . lichid)
M em brane (alim . gaz)
Adsorbtie (alim . gaz)
Adsorbtie (alim . gaz)
Schim batoride ion i
CristalizareExtractiecu so lventi
Fractionareazeo/extractiva
Absorbtie
Fractionare
85
Aspectele legate de proiectarea şi realizarea practică a unui proces au şi ele importanţa lor. De aceea, în tabel se prezintă cele mai deosebite aspecte apărute la punerea în practică a unei anumite separări prin una dintre operaţiile cunoscute.
Operaţii în ordinea descrescătoare a
uşurinţei în transpunerea la scară
Uşurinţă în realizarea unor operaţii succesive
Capacităţi paralele
Fracţionare Uşor Nu sunt necesare Absorbţie Uşor Nu sunt necesare Fracţionare extractivă şi azeotropă
Uşor Nu sunt necesare
Extracţie lichid-lichid Uşor Uneori Membrane Este necesară
represurizarea între etape Aproape mereu
Adsorbţie Uşor Numai pentru ciclul de regenerare
Cristalizare Nu aşa de uşor Uneori Uscare Nu convine Uneori
