Vegyipari műveletek II Témakör: abszorpció Székely Edit BME VBK sz-edit@mail.bme.hu
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.
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
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.
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.
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.
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 (-)
Alapfogalmak egyensúlyi diagram A Gibbs-féle fázisszabály értelmében két paramétert, jellemzően a hőmérsékletet és az összenyomást meg kell kötnünk.
Az anyagátbocsátás mechanizmusa Egyirányú diffúzió Fázishatáron egyensúly
Egy fokozatú, egyenáramú abszorpció Csak különösen jól oldódó gázkomponensek esetén használatos Fázisok intenzív érintkeztetése majd elválasztása Egy elméleti fokozat
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)
Minimális folyadédékarány
Gáz KI Abszorpció y 0,1 y 1 x 0 y 2 x 1 1 2 Oldószer BE y 8 0,08 y 3 x 2 3 0,06 y 4 x 3 y 5 x 4 4 5 0,04 y 6 x 5 6 0,02 y 7 x 6 y 8 x 7 7 Gáz BE y 1 0 0 0,01 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.
Töltött abszorber Mérlegegyenlet a dz magasságú oszlopszakaszra NTU- HTU kifejezése és alkalmazása HETP módszer alkalmazása
Abszorpció - deszorpció
Jegyzet: 1.2 fejezet KÖSZÖNÖM A FIGYELMÜKET!
Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék Extrakció Vegyipari műveletek II. segédanyag Székely E.,
Alapelv Keverés Anyagtranszport Fáziselválasztás Oldószer fázis extraktum raffinátum Betáp Anyagbocsátás - a határfelületig - át a határfelületen - a határfelülettől a főtömegig - diffúziós vagy reaktív 18
Témakörök Fázisegyensúlyok Kétkomponensű elegy (P=állandó) Háromkomponensű elegy (P, T = állandó) Alapvető típusok Szakaszos egyfokozatú Szakaszos többszöri Folyamatos egyfokozatú Folyamatos ellenáramú folyadék-folyadék extrakció.
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.
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.
Folyamatos extrakció keverő-ülepítő extraktor 22
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.
Folyamatos extrakció keverő-ülepítő extraktor 24
Keverő-ülepítő extraktor telep
A) 3 elemű mixer-szettler rendszer Ellenáramú extrakció 1. lépés 2. lépés 3. lépés Határfelület B) Extrakciós oszlop 26
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
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
Folyamatos extrakció keverő-ülepítő extraktor 29
Keverő-ülepítő extraktor telep
Mixer-Settler box felépítés Keverési zóna Szétválási zóna LP HP HP LP 31
Mixer - settler oszlop kialakítás Nehéz fázis be Könnyű fázis ki Könnyű fázis be Nehéz fázis ki 32
33 Több lépéses mixer - settler
34 Mixer-settler telep
35 Réz extrakció mixer-settlerben
Cobalt extrakciós telep 36 Kasese Cobalt company Ltd.
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 Graesser érintkeztető
Keverő-ülepítő Szeparátorok Kamrás-Westfalia szeparátorok 39
40 Tányéros szeparátor
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 Podbielniak-extraktor
Centrifugális extraktor (Podbielniak-Extraktor) 43
Quadronic folytonos érintkeztetésű centrifugális extraktor 44
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 Energiaközlés nélküli oszlopok
Szitatányéros oszlop F: betáplálás S: oldószer E: extraktum R: raffinátum 47
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 RDC= Rotation disc contactor oszlop
ARDC= Asymetric RDC oszlop 1. Válaszfal 2. terelőlemez 3. tányér 4. tengely 5. korong 50
Oldshue-Ruston oszlop
52 Scheibel oszlop
53 Kühni-extraktor
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
Pulzáltatott szitatányéros extrakciós oszlop HP LP Fázishatár Szitatányérok LP HP Pulzátor 55
Pulzáltatott oszlop működése
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
Karr oszlop 58
Jó tanulást! Köszönjük Dipl. Ing. Werner Bäcker (Bayer Technology Services) segítségét.