Vegyipari műveletek II. Témakör: abszorpció Székely Edit BME VBK

Átírás

1 Vegyipari műveletek II Témakör: abszorpció Székely Edit BME VBK

2 Abszorpció Abszorpció esetében a komponensátadás jellemzően a gázfázisból a folyadékfázisba történik. Egyensúlyi vagy reaktív elválasztó művelet. Az első esetben a hajtóerő a kémiai potenciálkülönbség. A gázkomponensek oldhatóságát folyadékban növeli a növekvő nyomás és a csökkenő hőmérséklet, ezért ezek jellemzően kedveznek az abszorpciónak. Az ellentett folyamatot deszorpciónak hívják.

3 Abszorpció az iparban Gáztisztítás Gázmosók (abszorbens szempontjából jellemzően szakaszos művelet) Szervetlen savak előállítása (pl. salétromsav, kénsav) Nagy kapacitású, folytonos abszorberek BASF, salétromsav, 4,9 m átmérő, 63 m magas, 36 szitatányér, beépített hűtés, 390 t

4 Az abszorpció múltja, jelene, jövője Két vagy több illékony gázkomponenst tartalmazó elegy egyes komponenseinek szelektív elnyeletése folyadékban, a feladatra elterjedten használják kis labormérettől nagyüzemig. Az elválasztás alapja a komponensek eltérő megoszlási hányadosa. Jellemzően szobahőmérsékleten és atmoszférikus vagy kissé megemelt nyomáson végzik. Segédanyag hozzáadását igényli, de ez a segédanyag avagy oldószer legtöbbször a víz. Jelentős hőeffektusokkal járhat (elegyedési Számos elválasztási feladatnál más elválasztó műveletekkel (még) nem helyettesíthető.

5 A jó abszorbens szelektíven és jól kell oldania az abszorbeálandó komponens(eke)t, vagyis a szolutumot, ill. abszorptívumot, azaz elérhető legyen vele a kívánt gázkinyerés, azaz a tervezett abszorpció, kis viszkozitású legyen, mert akkor gyors az abszorpció és kicsi az abszorber nyomásesése, kis tenziója legyen, hogy kevés legyen az oldószerveszteség, egyszerű legyen a regenerálása, használata gazdaságos legyen, a környezetre ne legyen veszélyes.

6 Alapfogalmak Fizikai abszorpció: az elválasztandó gázkomponens oldódik az abszorbensben, és a komponens oldódását a gáz- és a folyadékfázis közt beálló egyensúlyi viszonyok szabják meg. Kemiszorpció vagy kemoszorpció, amikor a gáz abszorpcióját a folyadékfázisban kémiai reakció követi, és az abszorpció ezért nem tekinthető egyensúlyi folyamatnak. Abszorpció alatt általában az egyensúlyra vezető, más néven fizikai abszorpciót értjük, ezért a továbbiakban ezzel foglalkozunk, tehát ahol a jelenségeket a gáz folyadék egyensúlyok írják le.

7 Alapfogalmak Henry tv Híg oldatok elegyek esetén igaz összefüggés p H A x A p A az A komponens parciális nyomása (Pa), x A az A komponens móltörtje (-), H a Henry-állandó. p P A y A H x A P az össznyomás (Pa), H = H/P, az ún. módosított Henry-állandó (-)

8 Alapfogalmak egyensúlyi diagram A Gibbs-féle fázisszabály értelmében két paramétert, jellemzően a hőmérsékletet és az összenyomást meg kell kötnünk.

9 Az anyagátbocsátás mechanizmusa Egyirányú diffúzió Fázishatáron egyensúly

10 Egy fokozatú, egyenáramú abszorpció Csak különösen jól oldódó gázkomponensek esetén használatos Fázisok intenzív érintkeztetése majd elválasztása Egy elméleti fokozat

11 Többfokozatú abszorpció Mérlegegyenletek Híg oldatok esetén analóg a munkavonal felírása a desztillációnál tanultakkal Nagyobb koncentrációk esetén jelentős az átoldódó komponens mennyisége Solutum mentes áramok és összetétételek alkalmazásával a biztosítható a gáz és folyadékáram matematikai állandósága az oszlopon belül. Kremser egyenlet (a megoszlási hányados állandó, azaz az egyensúlyi görbe egy egyenes)

12 Minimális folyadédékarány

13 Gáz KI Abszorpció y 0,1 y 1 x 0 y 2 x Oldószer BE y 8 0,08 y 3 x 2 3 0,06 y 4 x 3 y 5 x ,04 y 6 x 5 6 0,02 y 7 x 6 y 8 x 7 7 Gáz BE y ,01 0,02 0,03 0,04 0,05 x 0 x 7 x Oldószer KI A villogó nyilaknak megfelelő áramok összetételei (ideális oszlop esetén) az ábrán villogó pont koordinátáit határozzák meg.

14 Töltött abszorber Mérlegegyenlet a dz magasságú oszlopszakaszra NTU- HTU kifejezése és alkalmazása HETP módszer alkalmazása

15 Abszorpció - deszorpció

16 Jegyzet: 1.2 fejezet KÖSZÖNÖM A FIGYELMÜKET!

17 Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék Extrakció Vegyipari műveletek II. segédanyag Székely E.,

18 Alapelv Keverés Anyagtranszport Fáziselválasztás Oldószer fázis extraktum raffinátum Betáp Anyagbocsátás - a határfelületig - át a határfelületen - a határfelülettől a főtömegig - diffúziós vagy reaktív 18

19 Témakörök Fázisegyensúlyok Kétkomponensű elegy (P=állandó) Háromkomponensű elegy (P, T = állandó) Alapvető típusok Szakaszos egyfokozatú Szakaszos többszöri Folyamatos egyfokozatú Folyamatos ellenáramú folyadék-folyadék extrakció.

20 Szakaszos egyfokozatú folyadék-folyadék extrakció - Általános anyag és komponensmérleg - Megoldás, ha - a megoszlási hányados (m) független a koncentrációtól és a fázisarány (f) állandó, azaz az extrakciós tényező (F) állandó - a megoszlási hányados koncentrációfüggő, de a fázisarány állandó - sem m sem f sem állandó.

21 Szakaszos többfokozatú folyadék-folyadék extrakció - Általános anyag és komponensmérleg - Megoldás, ha - a megoszlási hányados (m) független a koncentrációtól és a fázisarány (f) állandó, azaz az extrakciós tényező (E) állandó - a megoszlási hányados koncentrációfüggő, de a fázisarány állandó - sem m sem f sem állandó.

22 Folyamatos extrakció keverő-ülepítő extraktor 22

23 Folyamatos ellenáramú extrakció - Általános anyag és komponensmérleg - Megoldás, ha - a megoszlási hányados (m) független a koncentrációtól és a fázisarány (f) állandó, azaz az extrakciós tényező (F) állandó - a megoszlási hányados koncentrációfüggő, de a fázisarány állandó - sem m sem f sem állandó.

24 Folyamatos extrakció keverő-ülepítő extraktor 24

25 Keverő-ülepítő extraktor telep

26 A) 3 elemű mixer-szettler rendszer Ellenáramú extrakció 1. lépés 2. lépés 3. lépés Határfelület B) Extrakciós oszlop 26

27 Készülék választás sémája Folyadék-folyadék extrakció Egy lépcső Több lépcső Egyenáramú Ellenáramú Mixer - Settler Centrifugális extraktor Extrakciós oszlop MSB Szeparátorok Enargiaközlés nélkül Energiaközléssel Sorba kapcsolt egyedi rendszerek Elemes felépítés 27 Torony design Tányéros szeparátor Kamrás szeparátor Podbielniak Tubuláris centrifuga Quadronic Permetező oszlop Rendezetlen töltetes oszlop Szitatányéros oszlop Rendezett töltet Keveréssel Scheibel RZE Kühni SHE RDC ARD Pulzálással Rendezetlen töltet Rendezett töltet Szitatányér: a) Pulzáltatott folyadék: PSE b) mozgó tányérok: Karr

28 Készülék választás sémája Folyadék-folyadék extrakció Egy lépcső Több lépcső Egyenáramú Ellenáramú Mixer - Settler Centrifugális extraktor Extrakciós oszlop MSB Szeparátorok Enargiaközlés nélkül Energiaközléssel Sorba kapcsolt egyedi rendszerek Elemes felépítés 28 Torony design Tányéros szeparátor Kamrás szeparátor Podbielniak Tubuláris centrifuga Quadronic Permetező oszlop Rendezetlen töltetes oszlop Szitatányéros oszlop Rendezett töltet Keveréssel Scheibel RZE Kühni SHE RDC ARD Pulzálással Rendezetlen töltet Rendezett töltet Szitatányér: a) Pulzáltatott folyadék: PSE b) mozgó tányérok: Karr

29 Folyamatos extrakció keverő-ülepítő extraktor 29

30 Keverő-ülepítő extraktor telep

31 Mixer-Settler box felépítés Keverési zóna Szétválási zóna LP HP HP LP 31

32 Mixer - settler oszlop kialakítás Nehéz fázis be Könnyű fázis ki Könnyű fázis be Nehéz fázis ki 32

33 33 Több lépéses mixer - settler

34 34 Mixer-settler telep

35 35 Réz extrakció mixer-settlerben

36 Cobalt extrakciós telep 36 Kasese Cobalt company Ltd.

37 Készülék választás sémája Folyadék-folyadék extrakció Egy lépcső Több lépcső Egyenáramú Ellenáramú Mixer - Settler Centrifugális extraktor Extrakciós oszlop MSB Szeparátorok Enargiaközlés nélkül Energiaközléssel Sorba kapcsolt egyedi rendszerek Elemes felépítés 37 Torony design Tányéros szeparátor Kamrás szeparátor Podbielniak Tubuláris centrifuga Quadronic Permetező oszlop Rendezetlen töltetes oszlop Szitatányéros oszlop Rendezett töltet Keveréssel Scheibel RZE Kühni SHE RDC ARD Pulzálással Rendezetlen töltet Rendezett töltet Szitatányér: a) Pulzáltatott folyadék: PSE b) mozgó tányérok: Karr

38 38 Graesser érintkeztető

39 Keverő-ülepítő Szeparátorok Kamrás-Westfalia szeparátorok 39

40 40 Tányéros szeparátor

41 Készülék választás sémája Folyadék-folyadék extrakció Egy lépcső Több lépcső Egyenáramú Ellenáramú MSB Mixer - Settler Szeparátorok Centrifugális extraktor Enargiaközlés nélkül Extrakciós oszlop Energiaközléssel Sorba kapcsolt egyedi rendszerek Elemes felépítés 41 Torony design Tányéros szeparátor Kamrás szeparátor Podbielniak Tubuláris centrifuga Quadronic Permetező oszlop Rendezetlen töltetes oszlop Szitatányéros oszlop Rendezett töltet Keveréssel Scheibel RZE Kühni SHE RDC ARD Pulzálással Rendezetlen töltet Rendezett töltet Szitatányér: a) Pulzáltatott folyadék: PSE b) mozgó tányérok: Karr

42 42 Podbielniak-extraktor

43 Centrifugális extraktor (Podbielniak-Extraktor) 43

44 Quadronic folytonos érintkeztetésű centrifugális extraktor 44

45 Készülék választás sémája Folyadék-folyadék extrakció Egy lépcső Több lépcső Egyenáramú Ellenáramú Mixer - Settler Centrifugális extraktor Extrakciós oszlop MSB Szeparátorok Enargiaközlés nélkül Energiaközléssel Sorba kapcsolt egyedi rendszerek Elemes felépítés 45 Torony design Tányéros szeparátor Kamrás szeparátor Podbielniak Tubuláris centrifuga Quadronic Permetező oszlop Rendezetlen töltetes oszlop Szitatányéros oszlop Rendezett töltet Keveréssel Scheibel RZE Kühni SHE RDC ARD Pulzálással Rendezetlen töltet Rendezett töltet Szitatányér: a) Pulzáltatott folyadék: PSE b) mozgó tányérok: Karr

46 46 Energiaközlés nélküli oszlopok

47 Szitatányéros oszlop F: betáplálás S: oldószer E: extraktum R: raffinátum 47

48 Készülék választás sémája Folyadék-folyadék extrakció Egy lépcső Több lépcső Egyenáramú Ellenáramú Mixer - Settler Centrifugális extraktor Extrakciós oszlop MSB Szeparátorok Enargiaközlés nélkül Energiaközléssel Sorba kapcsolt egyedi rendszerek Elemes felépítés 48 Torony design Tányéros szeparátor Kamrás szeparátor Podbielniak Tubuláris centrifuga Quadronic Permetező oszlop Rendezetlen töltetes oszlop Szitatányéros oszlop Rendezett töltet Keveréssel Scheibel RZE Kühni SHE RDC ARD Pulzálással Rendezetlen töltet Rendezett töltet Szitatányér: a) Pulzáltatott folyadék: PSE b) mozgó tányérok: Karr

49 49 RDC= Rotation disc contactor oszlop

50 ARDC= Asymetric RDC oszlop 1. Válaszfal 2. terelőlemez 3. tányér 4. tengely 5. korong 50

51 Oldshue-Ruston oszlop

52 52 Scheibel oszlop

53 53 Kühni-extraktor

54 Készülék választás sémája Folyadék-folyadék extrakció Egy lépcső Több lépcső Egyenáramú Ellenáramú Mixer - Settler Centrifugális extraktor Extrakciós oszlop MSB Szeparátorok Energiaközlés nélkül Energiaközléssel Sorba kapcsolt egyedi rendszerek Elemes felépítés 54 Torony design Tányéros szeparátor Kamrás szeparátor Podbielniak Tubuláris centrifuga Quadronic Permetező oszlop Rendezetlen töltetes oszlop Szitatányéros oszlop Rendezett töltet Keveréssel Scheibel RZE Kühni SHE RDC ARDC Pulzálással Rendezetlen töltet Rendezett töltet Szitatányér: a) Pulzáltatott folyadék: PSE b) mozgó tányérok: Karr

55 Pulzáltatott szitatányéros extrakciós oszlop HP LP Fázishatár Szitatányérok LP HP Pulzátor 55

56 Pulzáltatott oszlop működése

57 Karr oszlop Perforated plates: perforált tányérok Baffle plate: terelő lemez Tie rods and spacers: falkötővas és távtartó Light phase in/out: könnyű fázis be/ki Heavy phase in/out: nehéz fázis be/ki 57

58 Karr oszlop 58

59 Jó tanulást! Köszönjük Dipl. Ing. Werner Bäcker (Bayer Technology Services) segítségét.