VEGYIPAI MŰVELETTANI ÉS GÉPÉSZETI ALAPISMERETEK

Átírás

1 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 1 VEGYIPAI MŰVELETTANI ÉS GÉPÉSZETI ALAPISMERETEK 1 BEVEZETÉS A VEGYIPARI ÉS VELE ROKONIPARI MŰVELETEK CSOPORTOSÍTÁSA A MŰVELETI EGYSÉG A MŰVELETI EGYSÉGEK MATEMATIKAI LEÍRÁSA Transzportfolyamatok és az áram fogalma Konvektív áram, áramsűrűség Vezetéses áram, áramsűrűség Az átadás áram Források és a lokáls megváltozás A mérlegek általános alakja, a Benedek László egyenlet Az általános komponensmérleg Az átadás tag bővebb értelmezése, a munkavonal fogalma AZ EGYENSÚLYI EGYSÉG FOGALMA AZ ÁRAMLÁSTAN ALAPJAI A FOLYTONOSSÁGI TÉTEL A BERNOULLI-EGYENLET ALKALMAZÁSA, AZ ÁRAMLÁS SEBESSÉGÉNEK MÉRÉSE AZ ÁRAMLÁSOK JELLEGE Lamnárs áramlás Turbulens áramlás KÉMIAI REAKTOROK KÉMIAI REAKTOROK CSOPORTOSÍTÁSA A REAKTOROK MŰKÖDÉSÉT BEFOLYÁSOLÓ FŐBB TÉNYEZŐK DESZTILLÁCIÓ GŐZ- FOLYADÉK EGYENSÚLYOK BINER ELEGY SZAKASZOS DESZTILLÁCIÓJA BINER ELEGY FOLYAMATOS DESZTILLÁCIÓJA MOLEKULÁRIS DESZTILLÁCIÓ REKTIFIKÁCIÓ ANYAGÁRAMOK, MUNKAVONALAK AZ ELMÉLETI TÁNYÉRSZÁM MEGATÁROZÁSA MCCABE TIELE MÓDSZERREL TÖBBKOMPONENSŰ REKTIFIKÁCIÓ, A REKTIFIKÁLÓOSZLOPOK KAPCSOLÁSI SORRENDJE A REKTIFIKÁLÓBERENDEZÉSEK FELÉPÍTÉSE ÉS SZERKEZETI ELEMEI ABSZORPCIÓ DESZORPCIÓ EGY- ÉS TÖBBFOKOZATÚ ABSZORPCIÓS EGYENSÚLYI EGYSÉGEK ELLENÁRAMÚ IZOTERM ABSZORPCIÓ, DESZORPCIÓ ABSZORBER DESZORBER RENDSZEREK Oldószerregenerálás ADSZORPCIÓ ADSZORBENSEK ADSZORPCIÓS EGYENSÚLYOK ADSZORPCIÓS KINETIKA MEMBRÁNSZEPARÁCIÓ A MEMBRÁNOK OSZTÁLYOZÁSA Osztályozás a membrán anyaga és halmazállapota szernt Osztályozás a membrán előállítás módja szernt... 34

2 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek A membrántechnkák alkalmazásánalk tartománya MŰVELETI MEGVALÓSÍTÁS EXTRAKCIÓ ALAPELVEK, CSOPORTOSÍTÁS FOLYADÉK-FOLYADÉK EXTRAKCIÓ Folyadék-folyadék extrakcó egyensúly vszonya Keverő-ülepítő extraktorok, egyfokozatú extrakcó Többfokozatú F-F extrakcó fokozatonként frss oldószerrel Többfokozatú folyamatos ellenáramú extrakcó SZILÁRD FOLYADÉK EXTRAKCIÓ Szlárd Folyadék extrakcó fzka oldással Szlárd folyadék extrakcó szuperkrtkus körülmények között KOMBINÁLT MŰVELETEK AZEOTRÓP VAGY KIS ILLÉKONYSÁGÚ ELEGYEK SZÉTVÁLASZTÁSA KÉTNYOMÁSOS REKTIFIKÁLÁS EXTRAKTÍV DESZTILLÁCIÓ AZEOTRÓP DESZTILLÁCIÓ Önhordozós heterogén azeotróp desztllácó REAKTÍV DESZTILLÁCIÓ EGYÉB IPARI PÉLDAELJÁRÁSOK SZŰRÉS ÜLEPÍTÉS CENTRIFUGÁLÁS POR ÉS CSEPPLEVÁLASZTÁS GÁZTISZTÍTÁS PORTALANÍTÁSI FOK PORLEVÁLASZTÓ KÉSZÜLÉKEK CSEPPFOGÓK ÉS CSEPPLEVÁLASZTÓK KEVERÉS KEVERŐTÍPUSOK BEPÁRLÁS FLUIDIZÁCIÓ KRISTÁLYOSÍTÁS OLDATBÓL TÖRTÉNŐ KRISTÁLYOSÍTÁS Készülékek OLVADÉKBÓL TÖRTÉNŐ KRISTÁLYOSÍTÁS SZÁRÍTÁS A SZÁRÍTÓBERENDEZÉSEK CSOPORTOSÍTÁSA... 7 ŐCSERE ŐKÖZVETÍTŐ KÖZEGEK A ŐCSERÉLŐK ÁTTEKINTÉSE A ŐCSRÉLŐK TEMA SZERINTI OSZTÁLYOZÁSI RENDSZERE ALKALMAZOTT ŐCSERÉLŐK ŰTŐTORNYOK... 79

3 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 3 1 Bevezetés A vegypar művelettan a kéma technológával összevetve: Vegypar Termelés Mestersége (Chemcal Engneerng) Kéma Technológa Mlyen módon lehet egy terméket nyersanyag(ok)ból előállítan? orzontáls leírás. Technológán belül készülékek (Unt Operaton) Megfele lő sorrend (Flowchart) Vegypar Művelettan Gépek, készülékek, berendezések gyártás technológától független elmélete. Vertkáls leírás. Gazdaság és társadalm vonatkozás (bztonság, megbízhatóság, környezetvédelem ) 1.1 ábra 1.1 A vegypar és vele rokonpar műveletek csoportosítása drodnamka műveletek (folyadékok és gázok mozgatása) o Folyadékok és gázok áramlása csőben, készülékben és szemcsehalmazon. o Ülepítés, centrfugálás, szűrés, flotálás, fludzácó és folyadékok keverése. őátadás műveletek (hőterjedés és hőátadás) o Melegítés, hűtés, elpárologtatás, kondenzácó, hőcsere, bepárlás. Anyagátadás (komponensátadás) műveletek o Egyensúly műveletek: desztllácó és rektfkácó, abszorpcó, extrakcó, adszorpcó, szárítás, és krstályosítás. o Nemegyensúly elválasztás műveletek: membránszűrés, mkro- és ultraszűrés, reverz ozmózs, pervaporácó, dalízs és elektrodalízs. Mechanka műveletek o Szlárd anyagok előkészítése és szlárd végtermékek megmunkálása. o Szlárd darabos és por alakú anyagok szállítása: aprítás, fajtázás, osztályozás, granulálás és szlárd anyagok keverése.

4 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 4 1. A művelet egység A művelettan alapvető koncepcója a század elején megszületett művelet egység (unt operaton), melynek alapján a vegypar eljárások széles köre vszonylag kevés számú alapműveletből összeállítható. Első közelítésben azt mondhatjuk, hogy az elv folyamatábrákon található egyszerű keszülékszmbólumok általában egy-egy műveletet képvselnek (kolonna: desztllácó, reaktor: reagáltatás, szűrő: szűrés, kondenzátor: gőz-folyadék fázsváltás, stb.). A készülék fogalom nem mnden esetben azonos a "művelet egység" fogalmával. Előfordulhat, hogy az elv folyamatábrán a művelet egység nem szerepel keszülékként (pl. elágazás) vagy, hogy több egyszerű művelet egység alkot egy keszüléket (pl. reaktorkaszkád vagy rektfkálóoszlop). A művelet egység a vegypar termelés folyamatában az alapanyag és a végtermék között létrejővő változás általában több, az egészhez képest kcsny és egyed átalaktások egész sorozatának összegződéséből áll. A munka tárgya (a kezelendő anyag) átalakul, a munka eszköze (a készülék vagy berendezés) az elhasználódástól eltekntve nem változk, és az ember (beavatkozással) használat értéket termel. A művelet egység lehet egy-, két- vagy többfázsú. Egy fázs az anyag azon része, amelyben a kéma összetételt és a fzka állapotot leró függvényeknek nncs szakadás pontjuk. a a belepő áramok csak egyszer keverednek (ll. érntkeznek), akkor egyszerű, ha többször, akkor összetett művelet egységről beszelünk. Az összetett művelet egységek egyszerű művelet egységekből építhetők fel párhuzamos, soros, megkerülő vagy recrkulácós kapcsolásokkal. A művelet egység az dőben vselkedés szempontjából lehet szakaszos vagy folyamatos. Szakaszos működésről beszelünk, ha a fázsokat jellemző ntenzív paraméterek (nyomás, hőmérséklet, sűrűség, koncentrácók stb.) értéke egy rögztett helyen dőben változó. o a a szakaszos egységben az ntenzív paraméterek eloszlása bármely dőpontban egyenletes, akkor a művelet egység tökéletesen kevert. o Folyamatos művelet egységnél a kndulás anyagokat egyenletes sebességgel tápláljuk be, és a termékek elvezetése s egyenletes. a az dőegység alatt betáplált áramok tömegének összege megegyezk az dőegység alatt elvezetett áramok tömegének összegével, un. staconárus állapot alakul k. Staconárus állapotú művelet egységben az ntenzív paraméterek térbel eloszlása az dőtől független. A staconárus állapot eléréséhez szükséges felfutás (lecsengés, be és kkapcsolás, ndítás és leállás) peródus alatt a művelet egység átmenet (tranzens) állapotban van. 1.3 A művelet egységek matematka leírása A vegypar gyakorlatban a folyamatok leírásához öt SI mennység elegendő, melyek bázst alkotnak. Ezek a következők: osszúság, Idő, Tömeg, őmérséklet és Anyagmennység. A leíró mennységek számát tekntve, egy művelet egység leírását akkor tekntjük teljesnek, ha megadunk mnden be- és klépés pontra, az anyagáramokra fázsonként (C+) adatot, C számú komponens esetén: komponensáram, mpulzusáram és energaáram.

5 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 5 a az energaáramot hőáramra korlátozzuk, akkor az előző három áram helyett megadhatunk az anyagáramokra fázsonként egy extenzív és (C+1) ntenzív adatot s, mégpedg: a tömegáramot a (C-1)móltörtet a hőmérséklete és a nyomást. A szabadság fok fogalma: Egy művelet egység matematka modellezésénél, tervezésénél, ll. üzemeltetésénél szabadon megválasztható paraméterek száma: F = N M, ahol F a szabadság fok, N a változók száma, M a változók között összefüggéseket leíró egyenletek és egyéb megkötések száma. A szabadon megválasztott paraméterek között legalább egynek extenzívnek kell lenne, mert egy folyamat megfelelő modellje legalább egy abszolút mennység (entalpa, tömeg ) rögzítését követel meg Transzportfolyamatok és az áram fogalma A művelet egységek kvanttatív leírásához a bennük áramló mennységek tér-dő függése alapvető jelentőségű. Az áramló közeget halmazállapotától függetlenül fludumnak nevezzük. A fludum lehet áramló gőz, gáz, folyadék, valamnt kompresszbls és nkompresszbls. A művelettan témakörében az anyag általános mozgásegyenlete, vagys a tömegmérlegegyenlet mellett tovább három extenzv mennység transzportjával, azaz a komponens-, a termkus energa- (hő) és az mpulzus transzportjával kell foglalkoznunk. Az energára felírt mérleget általában a termkus energára (hőre) korlátozzuk (a hőforgalomhoz képest a knetkus és potencáls energák változása kcs, és az entalpaváltozás mellett általában elhanyagolható). A művelet egység leírásához három típusú tér(x, y, z) dő(t) függvény smerete szükséges: sűrűségmező: ρ = ρ (x, y, z, t) vagy koncentrácómező c = c (x, y, z, t), = 1 C; hőmérsékletmező: T = T (x, y, z, t); sebességmező: ν x = ν x (x, y, z, t), ν y = ν y (x, y, z, t), ν z = ν z (x, y, z, t) Áram (jele: j): az extenzv mennységek (általánosan: ψ) térben való elmozdulása, amely mndg valamlyen geometra felületen át történk. Az áram (vagy áramerősség) skalárs mennység és dmenzóját tekntve: extenzív mennység Ψ áram( j) = = (1.1) dő t A művelettanban négy áram elegendő a rendszer jellemzésére, ezek az összes - tömegáram (kg/s) - komponensáram (kmol/s) - hőáram (J/s) - mpulzusáram (kgm/s ). Áramsűrűség (jele: I): Vektor, melynek ránya megegyezk az áramlás rányával, nagysága pedg az extenzív mennységnek az arámlás rányára merőleges egységny keresztmetszetű felületen dőegység alatt átlépő mennységével.

6 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 6 extenzív mennység Ψ áramsűr űség( I) = = (1.) felület dő A t 1.3. Konvektív áram, áramsűrűség A konvekcó (vándorlás) azon transzportmechanzmus, melyben az anyag teljes tömegében mozgást végez egy adott térben. Legnkább a fludumokra jellemző és a mértékadó a sebességvektor ( v) (rögzített koordnátarendszerben). z y rögzített koordnátarendszer x 1. ábra I konvektív extenzív mennység = felület dő extenzív mennység = sebesség térfogat (1.3) Komponensre: őre: I I konvektív konvektív = c v (1.4) = (ρ c T ) v (1.5) p Vezetéses áram, áramsűrűség a a térben egy adott fzka mennység sűrűsége nem egyforma (nem unform rendszer), akkor a rendszerben vezetéses transzportmechanzmus ndul, amely ezt a sűrűségkülönbséget gyekszk kegyenlíten (a rendszert unformmá tesz). Mvel a nem unform rendszert leíró ntenzív tulajdonságok között mutatkozó térbel különbségeket tekntjük a rendszerben lezajló változások okanak, ezért a két pont közt különbségüket vagy folytonos rendszereknél gradensüket hajtóerőnek nevezzük (kéma potencál, hőmérséklet és nyomás különbség). ajtóerők fennállása esetén tehát mndg olyan extenzív áramok ndulnak meg, amelyek a hajtóerők koltására törekednek. A kalakuló vezetéses áramsűrűségeket az ún. fenomenológa egyenletek írják le. Ezek általános alakja: I v = L v grad ϕ ahol L v a vezetéses transzportegyüttható (1.6) Az átadás áram Átadás áram: A változásokat leíró folytonos fügvények helyett, olyan átadás áramokat s defnálnunk kell, amelyek értéke arányos a fázsok között érntkezés felülettel, és a fázsok belsejében lévő ntenzív paraméterek különbségével.

7 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 7 A fázsok a határfelületén az ntenzív állapotjelzők törést, a koncentrácó pedg szakadást mutat. Az arányosság együtthatót átadás tényezőnek nevezzük. Így az átadás áram kfejezése pl.: komponensre: j átadás = βa c (1.7) hőre: j átadás = αa T (1.8) ahol: β: komponensátadás tényező [m/s] α: hőátadás tényező [J/mKs] A: átadás felület c : koncentrácókülönbség, -komponensre nézve T: hőmérséklet-különbség Források és a lokáls megváltozás Áramló rendszerek esetében a nem megmaradó extenzív mennységekre források és nyelők (G) s lehetségesek. A térfogatelemben előálló áramtöbbletet forrásnak, az áram csökkenést pedg nyelőnek nevezzük. Matematkalag az áram térfogat szernt dfferencálhányadosa: d( I A) mennység =, dv m s G 3 dc Komponensre : dt d( ρc T) őre: dt A mérlegek általános alakja, a Benedek László * egyenlet p (1.9) (1.1) (1.11) A fent meggondolások alapján a művelet egységeket leíró mérlegegyenletek általános alakja: Lokáls megváltozás Időben változás = Konvekcó + Vezetés + Átadás + Forrás (1.1) * Benedek Pál és László Antal professzorokról elnevezett egyenlet. Az rodalomban kbővített Damköhler egyenletnek s nevezk.

8 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek Az általános komponensmérleg A (1.15) egyenlet alapján adott komponens esetén az dőbel változást kfejező egyenlet: c t = dv(c v) dv(d grad c ) ± β ω c + υ r ahol: c : komponens koncentrácója [mol/dm 3 ] v: sebességvektor (v x, v y, v z ) D : dffúzós állandó [m /s] ω: fajlagos felület [m ] β: komponensátadás tényező [m/s] ν : sztöchometra együttható r: reakcósebesség c : komponensátadás hajtóereje A konvektív tag dv (vc) értelmezése: dv (vc) = dv (cv x, cv y, cv z ) = cv x x cv y + y cv + z z v v x y v z c = c + c + c + v x + v x y z x y c + v y z c = c dv v + v grad c z (1.13) (1.14) (Csővezeték esetére a formula dc v alakra egyszerűsödk.) dx A vezetéses tag értelmezése: A (1.16) egyenlet másodk tagját tekntve a FICK II. törvény néven smert összefüggést kapjuk: (A negatív előjel azt fejez k, hogy a nagyobb koncentrácójú hely felöl a ksebb koncentrácójú hely felé rányul a komponenstranszport) A komponensdffúzóra vonatkozó FICK I. törvény (staconárus eset): dc dc - = D, (mol m s 1 ) Adt dx (1.15) c c 1 o dn dt c o x 1 x Komponensdffúzó x 1.3 ábra c c c c c c dv (D gradc) = dv D ;D ;D = D + D + D = x y z x x y y z z c c c D c D c D c = D + D + D = D c + D c (1.16) x y z x x y y z z A (1.19) egyenlet esetében fgyelembevettük, hogy a dffúzós állandó függ a koncentrácótól (gázok esetében mndenképp). Abban az esetben ha ezt a feltételezést elhanyagoljuk és a térnek csak egy rányát tekntjük, nstaconárus esetben, akkor a FICK II. törvényt kapjuk. c c = D t x (1.17)

9 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 9 Kzárólag dffúzót feltételezve és D = áll. az általános dffúzós egyenlet: c c = D + t x r x c x r =, ha réteget vzsgálunk (ekkor az 1. egyenletet kapjuk), r = 1, ha henger geometrát vzsgálunk, r =, ha gömbgeometrát vzsgálunk Az 1.1 egyenlet az 1.17 egy specáls esete, abból levezethető. (1.18) A forrás tag értelmezése A koncentrácó a körülhatárolt térfogatelemben történő megváltozását jelent, amely legtöbbször kéma reakcó eredménye. Forrás: az adott anyag a reakcóban termékként szerepel, nyelő : negatv forrás., tehát az adott anyag reagensként szerepel Az átadás tag bővebb értelmezése, a munkavonal fogalma Munkavonal: a kétfázsú művelet egység adott pontján (adott helyén) az egymáshoz tartozó fázskoncentrácóknak a halmaza. Egyensúly görbe: adott φ 1 fázsbel koncentrácóval termodnamka egyensúlyban lévő φ fázsbel koncentrácók halmaza (pl.: gőz - folyadék egyensúly görbe). Az egyensúlyt mnden esetben a kéma potencálok egyenlősége jelent. ajtóerő: az egyensúly görbe és a munkavonal között fellépő paraméterkülönbség, amely lehet pl.: koncentrácókülönbség: komponenstranszport, hőmérsékletkülönbség: hőtranszport Egyenáramú kétfázsú művelet egység leírása komponens esetére, staconárus, zoterm kéma rekcót nem tartalmazó rendszerben: y x G F Gázfázs Folyadékfázs y x G F y x Folyadékfázsbel koncentrácók jele: x, gázfázsbel konc. Jele: y. z= z= z A telítés egyensúly koncentrácók: x,s és y,s. c y ( y - y,s ) azaz a hajtóerő x /K,s = y y y (Meghatározásuk a enrytörvénynek (y,s =Kx ) megfelelő kapcsolattal.) x x A megmaradás tételekből: Σ belépő áram - Σ klépő áram = x z= y,s = x,s K z= z Gy + + Fx = Gy Fx (1.19) 1.4 ábra

10 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 1 tetszőleges belső ponttal kettéosztva a művelet egységet a mérlegek: Gy + Fx = Gy + Fx és Gy + Fx = Gy + Fx A fent egyenleteket rendezve a munkavonal egyenletéhez jutunk: y x y m = -F/G x 1.5 ábra y p, T = áll x ( x x ) y (1.) F y = + vagy, (1.1) G ( x x ) y F y = + (1.) G Az egyensúly fennállása esetén a munkavonal elér az egyensúly vonalat, a hajtóerő értéke zérus lesz, megszűnk a komponenstranszport. Az átadás áram értéke: j átadás =β y A(y -y,s )=β x A(x,s -x ). (1.3) (β y és β x a gáz- és a folyadékkoncentrácókkal kfejezett komponensátadás tényező) Ellenáramú kétfázsú művelet egység leírása komponens esetére, staconárus, zoterm kéma rekcót nem tartalmazó rendszerben: y x G F Gázfázs Folyadékfázs y x G F y x Mérlegek: z= z= h Gy + Fx = Gy + Fx (1.4) c y Gy + Fx = Gy + Fx (1.5) ( y - y,s ) az az a hajtóero Gy + Fx = Gy + Fx (1.6) y y y,s = x,s K x x x h 1.6 ábra A munkavonal és egyenlete: y m = F/G x y p, T = állandó ( x x ) y y = F + (1.7) G ( x x ) y y = F + (1.8) G x y x 1.7 ábra

11 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek Az egyensúly egység fogalma Egyensúly egységnek nevezzük a művelet egység azon, részét, melyből a távozó fázsok egymással termodnamka egyensúlyban vannak, vagys a fázsokban a hőmérséklet, a nyomás és a komponensek kéma potencálja egyenlő. Gázfázs Folyadékfázs Egyensúly egység 1.8 ábra Az áramlástan alapja A modern természettudomány alapvető felsmerése: elsősorban LOMONOSZOV, LAVOISIER, EULER és JOULE megfgyelése alapján, az anyag vlág olyan tulajdonságat skerült megállapítan (tömeg és energa), amelyekre ún. megmaradás törvények érvényesek. Ezen tulajdonságokhoz rendelt mennységek u. a változások során összegükben állandók maradnak. Általánosan azt mondhatjuk, hogy egy rendszerbe belépő összes energa egyenlő a kmenő és a felhalmozódó összes energák összegével..1 A folytonosság tétel A vegypar, bokéma, élelemszerpar stb. többnyre áramló rendszerekkel dolgoznak. A tömegmegmaradás törvényét áramló rendszerekre a folytonosság vagy más néven kontnutás egyenlet fejez k. A folyadékok mozgását kétféle módon adhatjuk meg: LAGRANGE szernt: A leírás a részecskékkel együtt haladva történk úgy, hogy megadjuk valamenny részecske pályáját az dő függvényében. EULER szernt: Rögzített pontból fgyeljük az áramlás tér mnden egyes pontját és megadjuk az ott áthaladó részecskék sebességét. a az áramló közeg összenyomhatatlan: va = állandó azaz v 1 A 1 = v A (1.9). A BERNOULLI-egyenlet alkalmazása, az áramlás sebességének mérése Az áramlások sebességének meghatározására gyakran alkalmazzák a cső keresztmetszetének szűkítését (mérőperem, mérőtorok, VENTURI-cső). A mérés elve, hogy az áramlás sebesség a szűkítés folyamán kalakult nyomáskülönbséggel arányos. p 1 A 1 p A 1.1 ábra Bevezetve az α kontrakcós tényezőt v 1 A 1 = αv A (.1) A BERNOULLI-egyenlet nyomásformuláját felhasználva:

12 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 1 v v ρ 1 + p h 1 + gρh1 = ρ + p + gρ (.) fgyelembevéve, hogy h 1 =h v 1 A1 A1 p = ρ v = ρv 1 (.3) 1 1 α αa A átrendezve: v 1 = p A 1 ρ αa (.4) 1.3 Az áramlások jellege REYNOLDS már 1883-ban smertette a róla elnevezett kísérletet, amely a folyadékok áramlásának két alaptípusát különböztet meg. h víz h 1 h 1 Lamnárs áramlás Turbulens áramlás. ábra Az áramlás jellemzésre REYNOLDS egy róla elnevezett dmenzómentes számot vezetett be, melynek krtkus értéke 3 **. Ezen értéke alatt lamnárs felette turbulens áramlásról beszélünk. d v Re = υ (.5) ahol: d: áramlás keresztmetszet v: áramlás sebesség.3.1 Lamnárs áramlás ν: knematka vszkoztás Lamnárs (réteges) áramlásról akkor beszélünk, ha a fludum adott pontjában, staconárus áramlást feltételezve a sebességvektorok dőben állandók. Ilyen rendszerben keveredést csak a molekulárs mozgás dézhet elő. ** A szakrodalom Re=3 krtkus értéket ad meg, a valóságban azonban ez az érték széles tartományon belül mozoghat. Re~1.1.

13 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 13 Az áramlás során dőben konstans profl alakul k: v max v d r l p p 1 elem térfogat.3 ábra Az erőket felírva: F = (p1 p) r π dv F II = rlπτ = rlπµ dr (.7) dv (p1 p )r π = rlπµ dr (.8) (.6) r (p1 p ) rdr = µ dv l r r 1 p ) r = v (p 4lµ r v [ ] v az így kapott v = v(r ) összefüggés adja a lamnárs áramlásokra jellemző parabolod felületet. ( p p ) 4lµ 1 ha r = r akkor v =, és r = esetén v = v max, így ( r r ) = v (p p ) 4lµ 1 r = vmax Az átáramlott térfogatra felírható: V & dv& = vda = v A helyettesítéssel: átlag A (.9) (.1) (.11) (.1) (.14) V r r p d V & = v(πrdr) = (r r )(πrdr) (.15) 4µ l az ntegrálást elvégezve kapjuk a AGEN-POISEUILLE-egyenletet: p 4 V& = πr (.16) 8µ l a fent egyenletekből könnyen levezethető, hogy.3. Turbulens áramlás vmax vátlag = (.17) Turbulens ármalásra a 1.41 összefüggés már nem érvényes. Empírkus közelítő összefüggés a NIKURADZE-összefüggés:

14 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 14 v 1 r n r vmax r, ahol n = 6 1 (.18) Turbulens sebességprofl esetén a maxmáls sebességérték az áramlás átmérő mntegy /3 részén közelítőleg érvényes: v.4 ábra 3 Kéma reaktorok Az par reaktorok tervezésénél (modellezésénél) az alább kérdésekre kell választ adn: Mlyen reaktort alkalmazzunk? Mlyen méretben? Mlyen művelet paraméterek mellett? 3.1 Kéma reaktorok csoportosítása Modellezés alapján Matematka modellezés Koncentrált paraméterű koncentrált paraméteres egyenlettel írhatók le Osztott paraméterű osztott paraméteres egyenlettel írhatók le j c B csőreaktor B üstreaktor c k Szakaszos Folyamatos Folyamatos c k = c k (t) c k = c k (t) c k = c k (x) c k(1) (t)= c k() (t)=c k(3) (t) 31 ábra Üzemvtel szernt Staconárus Szakaszos Folyamatos c k (x) Instaconárus c k (t) mndg nstaconárus állapotban vannak c k (x,t) csak ndításkor és leálláskor, vagy zavarás esetén

15 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 15 Technka osztályozás, mely során fgyelembevesszük a reaktorok geometráját, működés módját, a lehetséges fázsok számát és halmazállapotát: Reaktor Reakcó Szakaszos üst Foly. üst kaszkád omogén Flud Közepes reakcó sebesség, keverés Közepes reakcó sebesség, keverés eterogén Foly.-szlárd. Gáz-szlárd Foly.-foly. Gáz-foly. erős keverés erős keverés erős keverés erős keverés + gázcrkulácó Foly. cső Üres vagy katalzátorral töltött cső flmreaktor Félfoly. üst A szlárd fázs elreagál őtan jellemzés szernt: Izoterm, azaz a reakcó hőmérséklete konstans. Adabatkus, azaz nncs hőforgalom a környezettel Poltrop, azaz van hőforgalom, de a reakcóhő és a hőforgalom több nagyságrendben különbözk. 3. A reaktorok működését befolyásoló főbb tényezők A reaktorban nduláskor bentlévő anyagok, azaz a kndulás koncentrácóeloszlás c k (x) t= A reaktor kezdet hőmérsékleteloszlása T(x) t= A reaktorba belépő térfogatáram ha van lyen és annak hőmérséklete valamnt koncentrácója. A komponensek reagálás sebessége (νr) A működés módja A reakcó hősznezete ( r) 4 Desztllácó A folyadékelegyek szétválasztásának egyk leggyakrabban alkalmazott módszere a gőzfolyadék egyensúlyon alapuló desztllácó ll. az smételt desztllácó: a rektfkálás. Mndkét művelet a szétválasztandó komponensek llékonyságának a különbségén alapszk. A folyadékkal érntkező, vele termodnamka egyensúlyban lévő gőzfázsban a két, vagy több, eltérő llékonyságú vegyületet tartalmazó rendszer esetén a nagyobb tenzójú (alacsonyabb forráspontú) komponens(ek) koncentrácója nagyobb, mnt a folyadékban. Ezt a dúsulás lehetőséget hasznosítjuk a desztllácó (rektfkácó) művelete során, laboratórum és par méretekben egyaránt. A művelet a vegypar egyk legfontosabb szeparácós művelete, az par legkülönbözőbb területen találkozunk vele: kőolajfeldolgozás, élelmszer és növényolajpar, gyógyszerpar, szerves anyagok desztllatív szétválasztása.

16 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek Gőz- folyadék egyensúlyok A desztllácós művelet leírásához szükségünk van az elválasztandó komponensek, adott rendszerre vonatkoztatott egyensúly (x,y ) görbéjére. A számítások során az deáls gőz-folyadék rendszerekre érvényes ROULT- és DALTONtörvényt tekntk kndulás alapnak. ROULT-törvény: p A = p A x A (4.1) DALTON-törvény: p A = p Ö y A (4.) Ahol p A az A komponens parcáls nyomása, p A a tszta A komponens gőznyomása, x A az A komp. folyadékfázsbel móltörtje, p Ö a teljes gőznyomás, y A az A komp. gőzfázsbel móltörtje. Defnáljuk a relatív llékonyságot (α j : -nek j-re vonatkoztatott rel. Illékonysága): y p x α j = p y j j x j a törvényeket felhasználva kapjuk az egyensúly görbét, amelynek egyenlete: (4.3) y α = 1+ ( α j j x 1) x Ábrázolva ezeket a görbéket különböző α értékek mellett: 1 α j = α =1 j (4.4) y x 4.1 ábra Természetesen α=1 mellett nem lehet a két komponenst elválasztan, mert a folyadékfázsbel összetétel megegyezk a gőzfázsbel összetétellel. 1 α=1 esettel álunk szemben azeotróp elegyek képződésénél (pl: EtO víz), ahol az egyensúly görbe egy adott összetételnél metsz a dagonálst. Ezeket az elegyeket csak specáls desztllácós eljárásokkal, vagy kombnált műveletekkel lehet elválasztan egymástól. Egy lyen rendszer egyensúly dagramja: 1 α j =1 y Azeotróp pont x 4. ábra 1

17 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek Bner elegy szakaszos desztllácója A művelet lényege: A készülékbe bemért, adott mennységű és összetételű (L, x L ) szétválasztandó folyadékelegyet hőközléssel elpárologtatunk, a gőzt kondenzáltatjuk és a párlatokat (D, x D ) a termék tartályokban összegyűjtjük. űtés Betáplálás (L, x L ) y,s Fűtés x Desztllátum (D, x D ) Maradék (W, x W ) 4.3 ábra (L, M, D általánosan a tömegeket, x ndex általánosan az összetételt, y,s pedg egyensúly gőzösszetételt jelöl) Az ntegráls mérlegegyenletek: Tömegmérleg: L = M + D (4.5) Komponensmérleg -re: Lx L = Wx W D + Dx (4.6) Komponensmérleg j-re: Lx L j = Wx W D j + Dx j (4.7) Desztllácónál a rendszer egyesúly egységenek a száma max. 1 (Az elválasztás egy tányéron valósul meg) 4.3 Bner elegy folyamatos desztllácója Folyamatos desztllácó esetén a két vagy több komponenst tartalmazó folyadékelegyet felmelegítés után, állandó áramban táplálják be egy lepárló rendszerbe és a keletkezett egyensúly összetételű gőz- és folyadékfázsokat folyamatosan, külön-külön elvezetk. Ezt a műveletet gyakran flash lepárlásnak s nevezk. Gőz (G, y) Betáplálás (F, x F ) y,s x Fűtés Folyadék ( L, x) 4.4 ábra A művelet során a folyadék- és gőzösszetétel az dő függvényében állandó, a rendszerben azonos a hőmérséklet és a nyomás. Staconárus üzemre a következő mérlegegyenletek írhatók fel: F = G + L (4.8) Fx F = Gy G + Lx L (4.9)

18 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 18 Ábrázolva egyensúly dagramon: 1 x F, y G. x L, y G c b α y =1 j x L F x F F, x.. a, x. x F 4.5 ábra A munkavonal (b egyenes) két szélső eset által határolt tartományban helyezkedhet el, a szétválasztandó folyadék kezdet hőállapotától függően. - F L, a munkavonal az ordnátával párhuzamosan halad (c egyenes). Ekkor kevés gőzfázst kapunk, amely az llékony komponensben maxmálsan dúsul. A folyadék összetétel gykoratlag változatlan marad. Az entalpa csak ks mértékben lett emelve a forrpont folyadék entalpája fölé. - F G, a munkavonal az abcsszával halad párhuzamosan (a egyenes). Ekkor kevés folyadékfázst kapunk, amely maxmáslsan dúsul a kevésbé llékony komponensben. A gőzösszetétel gyakorlatlag változatlan marad. Az entalpa jelentősen meg lett emelve telíett gőzállapot áll elő. 4.4 Molekulárs desztllácó Számtalan hőérzékeny anyag (pl.: kőolaj- és növényolajszármazékok, vtamnok, gyógyszerhatóanyagok ) nem desztllálhatók a saját forrpont hőmérsékletükön, mert bomlást vagy károsodást szenvedhetnek (pl.: zomer átalakulás). Ezen anyagok desztllálását gen alacsony hőmérsékleten és nyomáson kell végezn, amelyre a vákuumdesztllácó alkalmas, amelynek egy különleges esete a molekulásrs desztllácó. Ezen műveletnél a nyomás torr, a molekulák szabad úthossza nagy, cm nagyságrendű. Konstrukcós megoldás: A folyadékelegyet elhagyó molekulák az átlagos szabad úthossznál ksebb távolságra lévő kondenzácós felületre jutnak. Az lyen és ehhez hasonló berendezésekben az elválasztás arány 8-95%. Igen értékes anyagok esetében azonban többfokozatú rendszereket s alkalmazhatnak. x 1

19 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 19 ICKMANN-féle centrfugáls rendszerű molekulárs desztllálókészülék: [Fonyó-Fábry: Vegypar Művelettan Alapfogalmak 19.6] 5 Rektfkácó 4.6 ábra Az egyszerű lepárlással (desztllácóval) elérhető, hogy a párlat összetétele különbözk a maradék összetételétől, de a teljes komponensszétválasztás nem valósul meg. A tovább szeparácóhoz a párlatot és a maradékot smételt lepárlásnak kellene alávetn, am energetkalag rendkívül rossz hatásfokú a külön készülékekben alkalmazot fűtés és hűtés matt. Az energetka hatásfokon úgy lehet javítna, hogy az elpárolgó folyadék gőzét nem kondenzáltatjuk külön egységekben, hanem a lepárlandó folyadékpárlatokba vezetjük. Ezen párlatokban (folyadékfázsokban) a gőz kevésbé llékony komponense kondenzálódnak és a kondenzácós hő llékonyabb komponenseket fog elpárologtatn. Ezen az elven a gőz az llékonyabb a folyadék a kevésbé llékony komponenseben fog dúsuln. A megoldás elv vázlata: D, Desztllátum hűtés reflux betáplálás, B reflux kgőzölés kgőzölés fűtés M, maradék 5.1 ábra A gyakorlat kvtelezés során, nem kaszkádrendszerszerű megoldást alkalmaznak, hanem a nehézség erőteret khasználva a fázsokat oszlopszerű berendezésben áramoltatják. A fázsok az ún. tányérokon érntkeznek egymással. A fűtés céljából az oszlop aljára hőközlő egységet (reboler-t), a tetejére hőelvonót (kondenzátrot) építenek.

20 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek Egy rektfkáló oszlop vázlata feltüntetve az anyagforgalommal: kondenzátor hűtővíz refluxtartály desztllátum, D reflux betáplálás, B folyadékáram, F gőzáram, G vsszaforralás, G fűtőgőz folyadék, F maradék, M 5. ábra A tányéros rektfkálószerkezetek mellett a leggyakrabban alkalmazott fázsérntkeztető berendezések az ún. töltött vagy töltetes oszlopok. A töltet vszonylag nagy fajlagos felületű részecskék halmaza, amely fázsérntkezésnek nagy felületet képes bztosítan. Az elmélet tányér (egyensúly egység) fogalma a töltetekre s kterjeszthető, hszen tt s elkülöníthetőek olyan egységek, melyekről a távozó fázsok egymással termodnamka egyensúlyban vannak. Részletesen lásd 8.6 pont. 5.1 Anyagáramok, munkavonalak Tekntsük egy bner folyadékelegy szétválasztást, deáls gőz deáls folyadék fázsok esetén egybetáplálásos, kéttermékes folyamatos üzemű, tányéros rektfkáló oszlopban, staconárus állapotban. A továbbakban a jelölések: x és y: mndg az llékonyabb komponens összetétele R: refluxarány B, x B : betáplálás áram és összetétele M, x M : maradék áram és annak összetétele D, x D : desztllátum és annak összetétele R r : vsszaforralás arány 1, r+1: tányérok számának ndexe (r+1. tányér maga a kforraló) P : párolgáshő G 1 r+1 : gőzáram jele az ndexel jelölt tányéron F 1 r : folyadékáram ndexe a jelölt tányéron F és G : az alsó oszloprész re érvényes Q: a kforraló és a kondenzátor hőforgalma folyadék és gõzáramok.

21 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 1 A fent jelölésekkel egy rektfkáló oszlop: -Q D G 1, y 1 desztllátumd, x D betáplálás, B, x B F, x D G l y l G n y n 1 3 k l m n F k x k F m x m G r+1, y r+1 r F r, x r Q M maradék, M, x M A bruttó anyagmérleg: 5.3 ábra B = M + D (5.1) Bx B = Mx M + Dx D (5.) A felső oszloprészre (dúsítóra) felírható mérleg: G 1 = D + F (5.3) G 1 y 1 = Dx D + Fx D (5.4) G l = D + F k (5.5) G l y l = Dx D + F k x k (5.6) A fent egyenleteket azonban egyszerűsíthetjük, ha feltételezük, hogy a molárs túlfolyás este (azaz az oszlopon felfelé áramló gőz és a lefelé haladó folyadék összmólszáma dőben állandó) érvényesül: Gy l = Dx D + Fx k (5.7) Vezessük be a refluxarányt: R=F/D (5.8) Ekkor (8.7) egyenletet átrendezve: y F G D G R R R + 1 D D l = xk + x = xk + x, (5.9) amt a rektfkáló oszlop felső munkavonal egyenletének nevezünk. Az alsó oszloprészre vagy kgőzölőre felírható mérlegek: Fr 1 + = Gr+ M (5.1) M F r x r = G r+ 1y r+ 1 + Mx (5.11) F m = M + G n (5.1) M F mx m = Mx + G n y (5.13) n

22 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek Ebben az esetben s alkalmazzuk a molárs túlfolyás feltételét és vezessük be a vsszaforralás arányt: R r = G M (5.14) A (8.13) egyenlet átrendezésével: y F M R m M r M n = xm x = xm x, (5.15) Gn Gn R r R r a rektfkáló oszlop alsó munkavonalát kapjuk. A betáplálás tányérra felírt mérlegek: Az m-dk (betáplálás tányérra) érkező betáp áram két részre osztható B = B F + B G (5.16) azaz egy gőz- és egy folyadékrészre: l betáplálás, B, x B B G G m ym F l x l m B F G n y n F m x m n 5.4 ábra Staconárus állapot esetén: B + + G n + Fl = G m Fm (5.17) Bx + B + G n y n + Fl x l = G m y m Fmx (5.18) m ha érvényes a molárs túlfolyás, akkor az ndexek elhagyhatók: B Bx + Gy n + Fx l = Gy m + Fx m az általánosítás érdekében szntén hagyjuk el az összetétel ndexet: (5.19) Bx B + Gy + Fx = Gy + Fx (5.) felhasználva a (8.16) egyenletet: G = G + BG (3.1) és F = F + B F (3.) A betáplálás állapotát a folyadékfázsnak az egész betápláláshoz vszonyított értéke jellemz, melyet q-val jelölünk: q = F / B (5.3) rendezzük a (5.) egyenletet a ( ) összefüggések segítségével: y F F B q x q 1 1 x q 1 B B = x + x = (5.4) G G G G A (5.4) egyenlet a rektfkáló oszlop q-vonalának egyenlete. A q értékét hőtan szempontból s értelmezhetjük: Q q = (5.5) P

23 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 3 azaz a betáplált folyadék 1 moljának telített gőzzé alakításához szükséges hőmennység és a párolgáshő hányadosa. A q vonal mnden esetben átmegy az alsó és felső munkavonal metszéspontján. A munkavonalakat ábrázolva: 1 y felső munkavonal q vonal x D R+1 alsó munkavonal x M x M x B x D 1 R r x 5.5 ábra 5. Az elmélet tányérszám meghatározása MCCABE TIELE módszerrel y egyensúly görbe y n-1 D E x n- y n-1 n-1 y n B C x n-1 y n n y n+1 A munkavonal x n y n+1 n+1 x n x n-1 x n- x 5.6 ábra Az alsó (5.15) és a felső (5.9) munkavonalak segítségével az adott elválasztáshoz szükséges elmélet tányérok száma egy gen egyszerű garfkus módszerrel meghatározható. A meghatározás az egyensúly egység és a munkavonal defncója alapján történk, amelyet a 5.6 ábrán mutatunk be.

24 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek Többkomponensű rektfkácó, a rektfkálóoszlopok kapcsolás sorrendje Az előzőekben kétkomponensű rendszerre vzsgáltunk egy rektfkáló oszlopot. Az par folyamatok többégénél azonban többkomponensű rendszerek elválasztása a feladat. Ehhez két problémakör tartozk: Kolonnakapcsolások Szabadság fok kérdése Rektfkálóoszlopk kapcsolás sorrendje: - Fontos alapszabály, hogy egy oszlop egynél több komponenst nem tud tsztán elválasztan. - A tsztán előállított komponens vagy a legllékonyabb, vagy a legkevésbé llékony lehet. - C komponensű rendszer esetében mndenképp C-1 számú oszlopra van szükség. - A lehetséges kapcsolások száma: N C [ ( C 1) ]! = (5.3) C! ( C 1)! Ez alapján a lehetőségek száma: Komponens Kapcsolások száma áromkomponensű elegy elválasztásának kapcsolás módja: (A) (B) (AB) (A) (ABC) (ABC) (BC) (C) (C) (B) egyenes (drekt) sorrend 5.7 ábra fordított sorrend Ipar példa: a prolízsgázok elválasztása. at termékből álló rendszer, melyhez öt kolonnát használnak. Az öt kolonna 4-féleképpen kapcsolható, amelyből a két leggyakorbb technológa: a) nagynyomású eljárás pl.: Lummus, Kellog C 1 C =, C C = B bar metánmentesítő etánmentasítő C -szétválasztó C =,C C 3,C 3=,C + 4 C 3 =,C 3 C C 3 = C 3,C 3 =,C 4 + propánmentesítő C 3 -szétválasztó 5.8 ábra C 4 + C 3

25 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 5 b) ksnyomásóú eljárás pl.: Lnde C 1 C = B 1...bar etánmentasítő C 1,C =, C metánmentesítő C =, C C 3 =, C 3 C -szétválasztó C C 3 = C 3 C = C propánmentesítő C 3 -szétválasztó 5.9 ábra C 4 + C A rektfkálóberendezések felépítése és szerkezet eleme Tányéros és töltetes kolonna szerkezete: 5.1 ábra

26 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 6 Leggyakrabban alkalmazott tányértípusok: Buboréksapkás tányér: A buboréksapka alatt ntenzív folyadék-gőz fázsérntkezte-tés valósul meg. Fnom-dszperz rendszer alakul k. A legrégebben alkalmazott tányértípus. Az áramlás vszonyok: Egy tányér: Beépítve: 5.13 ábra 5.11 ábra 5.1 ábra Rács, vagy sztatányér: A folyadékot a gőz dnamkus nyomása tartja fenn. a nncs elég gőz, romlk a hatásfok. Olcsó. asználata pl.: a levegő cseppfolyósításánál ábra Szelepes tányérok: 5.15 ábra GLIC szelep 5.16 ábra NUTTA szelep Önszabályozó rendszer, az elem mozgása a gőzsebességtől függ. Nagy flexbltás, különböző terhelés mellett s jó hatásfokkal dolgozk. Egyszerűen tsztíthatóak, karbantarthatóak. Praktkusságukkal folyamatosan szorítják k a buboréksapkás és sztatányérokat.

27 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 7 6 Abszorpcó deszorpcó Az abszorpcó azon vegypar művelet, amely során gázelegy komponense() a határfelületen keresztül dffúzóval a folyadékfázsba hatolnak és oldódnak. Azt a vegypar műveletet, ahol a komponenstranszport ránya a fentvel ellentétes deszorpcónak nevezük. Adszorpcós, deszorpcós egyensúlyok: Az abszorpcós, deszorpcó legegyszerűbb esetben olyan rendszerekben játszódk le, ahol az egyk komponens gázhalmazállapotú, míg a másk komponens ks llékonyságú folyadék. Az egyensúlyok három esetét kell megkülönböztetn: Fzka abszorpcó, kéma reakcó nem játszódk le. Fzka abszorpcó, de az adszorbeálódó komponens és az oldószer reakcója s bekövetkezk. Kéma abszorpcó (kemszorpcó), az abszorbeálódó komponens az oldószerrel és az oldott komponenssel s reagál. Az abszorpcós, deszorpcós egyensúlyok jelentős hőméréskletfüggést mutatnak. Az abszorpcó általában exoterm, a deszorpcó pedg endoterm folymat. Az abszorpcós hőt a folyadék, gáz és a készülék falán és a készülék falán keresztül a környezet vesz fel, a deszorpcós hőt pedg hőközléssel kell bztosítanunk. 6.1 Egy- és többfokozatú abszorpcós egyensúly egységek Egyfokozatú érntkeztetésnél a két különböző fázst először bensőséges érntkeztetésbe hozzuk, majd fzkalag szétválasztjuk. Az érntkezés deje alatt végbemegy a különböző komponensek transzportja a két fázs között, és megfelelő tartózkodás dő elteltével beáll az egyensúly. Ilyen esetbe egyfokozatú egyensúly egységől beszélünk: G G 1 1 F 1 F 6.1 ábra A teljes tömegmérleg: F + G = F 1 + G 1 (6.1) A komponensmérleg: F x + G y = F 1 x 1 + G 1 y 1 (6.) Ahol: F és G a folyadék és a gáz tömegárama [kg/s] vagy tömege [kg], x és y a folyadék és a gázfázs móltörtje komponensre nézve. Többfokozatú egyensúly egységnél az egyfokozatú egységeket sorba kötjük, ezáltal a fázsok újraérntkeztetése valósul meg, az elválasztás mértéke növekszk. A szeparácó több elmélet tányéron valósul meg. G 1 G 4 G 3 G 4 G N G N N F F 1 F F 3 F N-1 F N 6. ábra A teljes tömegmérleg: F + G N+1 = F N + G 1 (6.3) A komponensmérleg: F x + G N+1 y N+1 = F N x N + G 1 y 1 (6.4)

28 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 8 Az első n fokozatg a fentek alapján felírva a komponensmérleg: F x + G n+1 y n+1 = F n x n + G 1 y 1 (6.5) Eből kfejezve y n-t, a munkavonal egyenletét kapjuk: y F G y F x n 1 1 n+ 1 = x n + (6.6) G n+ 1 G n+ 1 a a résztvevő áramok nem elegyedőek: az egyensúly egységek ún. lelépcsőzéssel s meghatárouzhatók: x y 1 y y N+1 munkavonal 1 x 1 x y y 3 y 4 y egyensúly görbe 3 y x 3 y 4 y 1 1 N=4 x N y N+1 x x 1 x x 3 x N = 4 x 6.3 ábra Abban az esetben, ha az egyes egységeken áthaladó tömegáramok nem egyenlőek, a munkavonal nem egyenes, hanem a változásnak megfelelően görbül. 6. Ellenáramú zoterm abszorpcó, deszorpcó A mennység leírásokhoz tekntsük a következő ábrákat: G A, y A F A, x A z = z = G A, y A F A, x A töltetes abszorber (A) 6.4 ábra G D, y D F D, x D z = z = G D, y D F D, x D töltetes deszorber (D) A készülék egy tetszőleges z mgasságában felírva az anyagmérlegeket: F = y (6.7) A y A (x A x A ) + G A A y A (x A x A ) + G A A F = y (6.8) D y D D D + G D A F = (x x ) y (6.9) D y A (x D x D ) + G D D F = y (6.1) D A munkavonalak az egyensúly dagramban, adszorpcó esetén az egyensúly görbe felett, deszorpcó esetén az egyensúly görbe alatt, helyezkednek el:

29 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 9 (y A, y D ) (x A, y A ) (x D, y D ) (x A, y A ) (x D, y D ) 6.5 ábra (x A,x D ) A folyadék és gázterhelés hosszment állandósága csak ks koncentrácók esetén gaz. Nagyobb gázkoncentrácóknál, amennyben lehetséges a nem abszoreálódó komponensre célszerű vonatkoztatn a koncentrácókat: 3 mol, kg, m abszorbeálódó komponens ya, yd 3 mol, kg, m nem abszorbeálódó komponens A folyadék összetételét szntén a tszta folyadékmennységre vonatkozóan adjuk meg: 3 mol, kg, m abszorbeálódó komponens x A,x D 3 mol, kg, m folyadék 6.3 Abszorber deszorber rendszerek A vegyparban az adszorpcós műveleteket legtöbbször deszorpcós művelet kísér, körfolyamat formályában. A folyamat az egyensúly dagramon: munkavonal 1 x D y D y x D y D x A y A munkavonal x A y A x 6.6 ábra Oldószerregenerálás Az adszorpcót követően az elnyelt gázt általában vssza kell nyernünk az abszorbensből és regenerálnunk kell az abszorbenst (oldószert) az smételt felhasználás elött. Ez a folyamat deszorpcóval történk. A regenerálás történhet a hőmérésklet vagy a nyomásváltortatásával, vagy esetleg a kettő komnácójával, khasználva, a folyamat nyomás- és hőmérsékletfüggését.

30 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 3 Nyomásváltoztatásos (6.7ábra) és a termkus energával történő oldószerregenerálás (6.8 ábra) körfolymata: abszorber deszorber abszorber deszorber tsztított gáz y A y D deszorbeált szennyező gáz tsztított gáz y A y D deszorbeált gáz x A x A x D hűtés fűtés szenyezett gáz x A 6.7 ábra x D y D y A szenyezett gáz x A 6.8 ábra x D Ellenáramú abszorpcó folyadékrecrkulácóval: Jelölések: 1 aszorber, 4 tartályok, 5 7 szvattyúk, 8 hőcserélő, 9 deszorpcós oszlop, 1 hűtő, G 1 gáz, G gőz, G 3 deszorbeálodott gáz, K kondenzátum 6.9 ábra 7 Adszorpcó Az adszorpcó a flud-szlárd fázsérntkeztetés azon művelete, melynek során a szlárd anyag felületén gázok, lletve folyadékok komponenset kötjük meg. Adszorbens. az a szlárd fázs, melynek felületén a komponensek megkötődnek. A megkötődés ún. aktív centrumokon játszódk le. Adszorbeátum: az adszorbensen megkötődő komponens(ek) neve Az adszorbens felületének nem mnden pontja egyenlően aktív, az adszorpcó a csúcsokon, éleken, az ún. aktív centrumokon jön létre. A fzka adszorpcó reverzbls, a hőmérséklet, nyomás, koncentrácó megváltoztatásával megfordítható Az adszorpcóval ellentétes rányú művelet a deszorpcó

31 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 31 Azt a folyamatot, amkor az adszorpcó mellett rreverzbls kéma reakcó játszódk le, kemszorpcónak nevezzük. Az adszorpcós műveletek mndegyke legalább kétfázsú heterogén rendszerben zajlk le, ahol a fázsok mnőségén kívül a fázsok határfelületének nagysága és szerkezete játszk ktüntetett szerepet. 7.1 Adszorbensek A leggyakrabban használt adszorbensek: Aktív szén, Szlkonüveg alapú adszorbensek, Cellulóz alapú adszorbensek: Polsztrol-dvnl benzol alapú adszorbensek, Molekulaszták (zeoltok), Aktvált alumínum-oxd, Szlkagél Polsztrol-dvnl benzol alapú adszorbensek (DIAION-SP típusok): Alkalmazása főként a gyógyszer és élelmszerparban Táblázatosan összefoglalva néhány jellemzővel: Adszorbens Adszorbens max.t regenerálá s Aktív felület % [m /g] Szemcse -átmérő d [mm] Átl. pórusátmérő d p [mm] Belső poroztás ϕ [%] Látszólagos sűrűség ρ [kg/m 3 ] Aktív Al O Szlkagél Molekulaszta ,3...1, Aktív szén , Az adszorbensek megkötő kapactása annak belső poroztásától függ. Ez szabja meg a pórusfelület nagyságát, az adszorbens fajlagos felületét. Pórusnagyság szernt megkülönböztetés: Makropórusok d p > 5nm Mezopórusok < d p < 5nm Mkropórusok 1 < d p < nm Szubmkropórusok d p < 1nm Amíg az adszorbens felületén kevés molekula adszorbeálódott, könnyen megy végbe az adszorpcó, de ha a felület egy része már foglalt, az adszorpcó egyre nehezebbé válk, az adszorbens lassan kmerül. Vegy összetétel és szlárd vázszerkezet szernt két csoportba sorolhatók:

32 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 3 Szénbázsú adszorbensek [Aktív szén, aktív koksz] Oxgénbázsú adszorbensek [Szlkagél, alumínum-oxd, zeoltok] Alapanyag Fa, csont, tőzeg, szén, petrolkoksz > 9% SO, vagy Al O 3 Tulajdonságo k Alkalmazás Szlárd vázuk amorf, drofób jellegűek Előnyösek: szerves gőzök és nempoláros vegyületekhez Aktív szén por: víztsztítás, derítés Aktív szén szemcse : gáztsztítás, gázálarc drofl jellegűek Előnyösek poláros anyagok adszorpcójához Szlkagél: víz megkötése Alumínum-oxd: szárítás Zeoltok: gáztsztítás, szénhdrogének szétválasztása Léteznek jól adszorbeálódó anyagok, melyek elválasztására eredményesen alkalmazhatóak a frontáls adszorpcós technkák. Léteznek nehezen megkötődő anyagok, melyek nem kondenzáltathatók (pl. a permanens gázok (N, O, Ar, C 4, CO, )). Rájuk nézve az adszorpcós kapactás nagyságrendekkel ksebb. Az lyen gázelegyek szétválasztására alkalmas a PSA eljárás. 7. Adszorpcós egyensúlyok Adszorpcós egyensúlyról akkor beszélünk, ha dőegység alatt az adszorbens felületére érkező molekulák száma megegyezk az dőegység alatt onnan távozó molekulák számával. Azt az összefüggést, amely megadja, hogy adott állandó hőmérsékleten, hogyan változk az adszorbeált anyag mennysége a gázkomponens parcáls nyomásával vagy az oldat koncentrácójával, adszorpcós zotermának nevezzük. Az egyensúly koncentrácók változása az adszorpcós zoterma alapján vzsgálható, tehát egy adszorpcó művelet során az első lépés az egyensúly zoterma felvétele. Az adszorpcós egyensúlyt három mennységgel szokásos jellemezn: a hőmérséklettel (T), a nyomással (p) ll. koncentrácóval (C), és a fajlagosan megkötött adszor-beátum mennységével(γ B ). 7.3 Adszorpcós knetka Az adszorpcó knetkája fzka-kéma szempontból egy összetett folyamat, mert az adszorpcós-deszorpcós folyamatok mellett dffúzós folyamatok s lejátszódnak. Egy összetett folyamat esetén a sebességmeghatározó lépés a leglassúbb részfolyamat. Jelen esetben a dffúzó sebessége több esetben az adszorpcó sebessége alatt marad, így ezek a részfolyamatok határozzák meg a megkötődés sebességét. A többlépcsős folyamat az álább részlépésekből tevődk össze (7.1 ábra): 1. A komponens dffúzója az adszorbenst körülvevő NERNST- határrétegen keresztül, az adszorbens külső felületég.. A komponens belső dffúzója a makropórusokban (makropórus átmérő > Å)

33 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek A komponensek belső dffúzója a mkropórusokban (mkropórus átmérő kb. 3-15Å) 4. A komponensek adszorpcója a mkropórus felületén 5. A komponensek deszorpcója a mkropórus felületéről 6. A komponensek belső dffúzója a mkropórusokból 7. A komponensek belső dffúzója a makropórusokból 8. A komponensek külső dffúzója a NERNST-határrétegen keresztül a folyadékfázsba Nerst-határréteg Adszorbens *1 * 3* *6 4* *5 *7 *8 7.1 ábra A külső dffúzó folyamatát a NERNST-féle határrétegen keresztül a komponensátadás alapegyenletével (1.16 alapján) írhatjuk le. Egy gömbszerű részecskére: J átadás * = β d π.5 ( c ) (7.1) f, F p c ahol I átadás : átadás áram, β f,f : folyadékoldal, foly. koncentrácóval kfejezett részleges komponensátadás tényező, d p : töltetalkotó szemcse átmérője, c: a komponens folyadékfázsbel koncentrácója, c*: a komponens határfelület koncentrácója (egyensúly konc.) 8 Membránszeparácó * A membrán szó latn eredetű (membrana), eredet jelentése hártya, héj. A bológában membránnak nevezk a sejtek vagy azoknál ksebb képződmények felületén elhelyezkedő, molekulárs méretű, vékony határfelület struktúrákat. A műszak életben membránnak valamlyen külső erővel kfeszített rugalmas válaszfalat nevezünk, melyeknek legfontosabb feladata a védelem. Két térrészt választanak el, és rugalmasságuknál fogva elmozdulások, lletve erők átvtelére képesek úgy, hogy közben az elválasztott terek anyaga egymástól szgetelve vannak. A vegyparban a membrán technológa fogalom. Olyan technológa válaszfalat jelöl, amely szelektív áteresztő képességénél fogva a feldolgozandó anyagok alkotórészenek szétválasztását többnyre kéma átalakulás nélkül tesz lehetővé. A membrán szeparácó szűrésként s felfogható, ahol a fázs bzonyos komponense, fázseleme számára a membrán, mnt szűrőközeg átjárható más részekre pedg nem. A * Dr. Argyelán János -VE Vegypar Művelet Tanszék- előadása alapján

34 Vegypar művelettan és gépészet alapsmeretek 34 membrán szeparácós folyamatokat gen élesen el kell különíten a hozzájuk gen hasonlító szűréstől. A fludumok áramlás ránya lényegesen eltér a szűréstől, a hajtóerő a kéma potencálok különbsége. p p µ ϕ T szűrés memebránszeparácó 8.1 ábra A membrán szeparácós folyamatokban a membrán modulra föladott anyag fő tömege a membránnal párhuzamosan halad, és így elsodorja a membránra esetlegesen krakódott részecskéket. A membrán két oldala között anyagtranszport nem csak nyomás, hanem elektromos vagy kéma potencál lletve hőmérsékletkülönbség hatására s létrejöhet. Ily módon a membrán több mnt öntsztuló szűrő. A folyamat lényegéből következk, hogy a membránok élettartama elvleg meghatározatlanul hosszú dő. 8.1 A membránok osztályozása Osztályozás a membrán anyaga és halmazállapota szernt Gáz vagy vákuum Folyadék Szlárd Alapvető jelentőségre csak a szlárd membránok tettek szert. Ezek eredet szernt a következőfélék lehetnek: o természetes eredetű növény (celofán) anyagok állat (bél, bőr, pergamen) dafragmák o mesterséges eredetű szntetkus polmerek, fémek, fémötvözetek, kerámák, üvegek semleges, oncserélő, komplexképző tömör és sznterelt fém membrán sznterelt kerámák és üvegek 8.1. Osztályozás a membrán előállítás módja szernt Akárhogy s gyártsuk a membránt, az elsődleges feladat, a vastagságához képest nagy felületű (tömör, pórusos, aszmmetrkus) struktúra létrehozása, majd annak esetleges módosítása. Membránokat előállíthatunk: Öntéssel, húzással: folyadékból vagy olvadékból Formázással: extrudálással, sajtolással, hengerléssel Vékonyréteg képzéssel hordozón: porlasztással, elektroforézssel, felgőzöléssel Nagy felületű anyagok szerkezet módosításával o komponens klúgozása fólából o α részecskével való bombázással és maratással.