Anyagtadsi Mveletek Kt egymssal rintkez fzis kztti anyagtvitel

Anyagátadási Műveletek Két egymással érintkező fázis közötti anyagátvitel Komponensátadás Elválasztási művelet Diffúzió

Az anyagátadási műveletek típusai Abszorpció: komponens(ek) kinyerése gázelegyből folyadék abszorbens segítségével Desztilláció: folyadékelegy komponenseinek szétválasztása a folyadékfázis és annak részleges elgőzölögtetésével létrejött gőzfázis közötti anyagátvitellel Extrakció: folyadék vagy szilárd fázis egyik komponensének kioldása folyadékfázisú oldószerrel Adszorpció: gázok, gőzök vagy folyadékok komponensének kinyerése szilárd pórusos anyagokkal (adszorbensekkel). Ioncsere Szárítás Kristályosítás

Desztilláció - rektifikálás Homogén folyadékelegyek elválasztásának művelete, a folyadékfázis és annak részleges elpárolgásával létrejövő gőzfázis közötti anyagátmenettel. Desztilláció: egyszeri, részleges elpárologtatás és kondenzálás. │tf 1 – tf 2│ ≥ 60 C jó elválasztást adhat. Rektifikálás: ellenáramú, többszöri desztilláció. Szétválasztás lehetősége: illékonysági eltérés. Két komponensű, ideális rendszerek (A, B – A illékonyabb).

Raoult-törvény: a parciális nyomás hogyan függ a folyadék összetételétől. Dalton-törvény: a parciális nyomás hogyan függ a gőzfázis összetételétől.

A két összefüggés összevetéséből: Megkapjuk a gőz és a folyadék koncentrációja közötti összefüggést. Illékonyság (egyensúlyi állandó):

Relatív illékonyság: Egyensúlyi görbe (hiperbola) a = 1 ritka eset, nem elválasztható

Relatív illékonyság állandósága A relatív illékonyság közel ideális elegyek esetén kevéssé változik a hőmérséklettel. Ezt az egyszerűsített desztillációs számításoknál gyakran kihasználjuk. Gőznyomás számítása reális esetben: Nagyszámú empirikus és félempirikus gőznyomásegyenlet ismert. A leggyakrabban használt; Antoine: A, B, C: állandók t: hőmérséklet (ºC)

Egyszerű szakaszos desztilláció Anyagmérleg: x – illékonyabb móltört a folyadékban y – illékonyabb móltört a gőzfázisban d. L mennyiséget elpárologtatva a koncentráció dx-el csökken. d. D mennyiségű desztillátum képződik.

Ha a folyadék és az elpárolgó gőz között egyensúly áll fönn és, ha a állandó, akkor helyettesítés után: x 0 – kezdeti koncentráció xv – végső koncentráció

A desztillátum csak akkor tiszta, ha Dtf ≥ 60 o. C, egyébként tartalmaz nehezen illó komponenst is. Csak a maradéka lehet tiszta. Felhasználás: - illórész eltávolítása, előtisztítás rektifikáláshoz – szilárd anyagtól való elválasztás, kis mennyiségek bepárlása, víz oldószermentesítése

Folyamatos egyensúlyi (flash) desztilláció A folyadékelegyet felmelegítés után állandó áramban betápláljuk egy lepárló rendszerbe. A keletkezett egyensúlyi gőz- és folyadékfázisokat folyamatosan külön-külön elvezetjük.

Többfokozatú desztilláció

Ellenáramú desztilláció

Rektifikálás

Rektifikálás

A dúsító szakasz anyagmérlege (stacionárius esetre): Refluxarány a dúsító szakasz munkavonala (a felső munkavonal egyenlet)

A szegényítő szakasz anyagmérlege: a szegényítő szakasz munkavonala (az alsó munkavonal egyenlete)

A betáplálás hőállapotát az úgynevezett q vonal egyenlete írja le. Anyagmérleg a betáplálási pontban: Forró folyadék q=1 Hideg folyadék q>1 Nedves gőz Forró folyadék + gőz 0 q 1 Száraz telített gőz q=0 Túlhevített gőz q 0 q kalorikus tényező (a betáp. hőállapotát jellemzi), ha a betáplálás a forrásponton van, akkor V = V’ (nincs párolgás, nincs kondenzálás), és itt q = 1. Ha a betáplálás hidegen történik, akkor a V’ egy része kondenzálódik és L’ nagyon megnő L-hez képest → q > 1.

q-vonal: a két munkavonal lehetséges metszéspontjainak a mértani helye egy adott betáplálás esetén Forró folyadék q=1 Hideg folyadék q>1 Nedves gőz Forró folyadék + gőz 0 q 1 Száraz telített gőz q=0 Túlhevített gőz q 0 ha x = x F y = x. F

Kolonna-jellemzők: hatékonyság – (elméleti tányérszám) kapacitás – (átmérő) Egyensúlyi fokozat (elméleti tányér): A készülék azon része, melyben az érintkező fázisok közötti anyag- és energiatranszport olyan mértékű, hogy a kilépő fázisok egyensúlyban vannak. Egyensúlyi görbe: yi=f(xi) Munkavonal: yi+1=f(xi)

Mc. Cabe és Thiele módszere a teljes folyamatos kolonnára - a felső munkavonal pontjai: - a q vonal pontjai: legyen forrpontú betáplálás q = 1 (függőleges egyenes)

- az alsó munkavonal pontjai:

Szerkesztési eljárás: 1. 2. 3. 4. 5. 6. egyensúlyi görbe + átló x. F, x. W és x. D bejelölése felső munkavonal behúzása q vonal bejelölése alsó munkavonal berajzolása lépcsőszerkesztés x. D-ből kiindulva

y 1 y 2 Felső munkavonal: x. W x 2 x. F x 1 x. D

A rektifikálás változatai: Két komponens:

Három komponens: (hagyományos) egyenes sorrend fordított sorrend

Négy komponens: Soros kapcsolások egyenes sorrend fordított sorrend

vegyes sorrend (egyenes, fordított) Párhuzamos kapcsolás vegyes sorrend (fordított, egyenes)

Abszorpció Az abszorpció gáz- vagy gázok elnyelése folyadékban Az abszorbens elnyelő képessége:

Az abszorpciót a korszerű ipari gyakorlatban folyamatos berendezésben hajtják végre. Egymással szemben áramlik a gázelegy és az elnyelő folyadék. A művelethez szükséges érintkezést különleges tányérszerkezet vagy gyűrű alakú töltet biztosítja.

Oldószer regenerálás melegítéssel

Extrakció A kiinduló anyag (elegy, keverék) adott komponensét nyerjük ki oldószer segítségével. - folyadék-folyadék extrakció - szilárd-folyadék extrakció - Szuperkritikus extrakció: a kiinduló anyag összetett szilárd anyag (esetleg folyadékelegy), az oldószer nagynyomású gáz (destrakció)

Folyadék-folyadék extrakció Kiinduló anyag: A+C=F A: anyaoldat C: céltermék B: szolvens (oldó-, kivonatolóvagy mosófolyadék) M: keverék A B és az A komponens nem vagy csak korlátozott mértékben elegyedik. a – P – b terület: két folyadékfázis a – P – b görbe: binóda R – E húr: konóda R: raffinátum E: extraktum

Keverő-ülepítő extraktor Az F-F extrakció alkalmazása indokolt a desztillációval szemben: − a kiinduló komponensek azeotróp elegyet képeznek − illékonysági különbségük kicsi − hőérzékenyek − a desztillálás költsége nagyobb mint az extrahálásé (közeli forráspontok, céltermék kis koncentrációja)

Többfokozatú keresztáramú extrakció Többfokozatú ellenáramú extrakció

Szilárd-folyadék extrakció Röviden: kilúgozás Pl. : cukorrépa, napraforgó, gyógynövényekből hatóanyag kivonása (tea, kávé) Szakaszos berendezés: 1. Extraktor 2. Lepárlóüst 3. Kondenzátor 4. Szedőedény

Ellenáramú extrakciós telep:

Folytonos üzemű extraktor (pl. ):

Szuperkritikus extrakció (SCE) Ma már igen elterjedt − Kávé, tea koffeinmentesítése − Dohány nikotintartalmának csökkentése − Fűszerkivonatok, gyógynövény-hatóanyagok, kozmetikumok előállítása − Kőolaj feldolgozása A legfontosabb oldógáz a szén-dioxid (31, 3°C; 73, 8 bar)

Adszorpció Az adszorpció a fluid-szilárd fázisérintkeztetés azon művelete, melynek során a szilárd anyag felületén gázok, illetve folyadékok komponenseit kötjük meg. − Adszorbens: az a szilárd fázis, melynek felületén a komponensek megkötődnek. A megkötődés ún. aktív centrumokon játszódik le. − Adszorbeátum: az adszorbensen megkötődő komponens(ek) A fizikai adszorpció reverzibilis, a hőmérséklet, nyomás, koncentráció megváltoztatásával megfordítható folyamat. (deszorpció)

A leggyakrabban használt adszorbensek: Aktív szén, Szilikonüveg alapú adszorbensek, Cellulóz alapú adszorbensek Polisztirol-divinil benzol alapú adszorbensek, Molekulasziták (zeolitok), Aktivált alumínium-oxid, Szilikagél Az adszorbensek megkötő kapacitása annak belső porozitásától függ. Ez szabja meg a pórusfelület nagyságát, az adszorbens fajlagos felületét.