Cursul I
Procese de transfer de masa (Procese difuzionale de separare) Sem.I- curs 2 ore, activitate in laborator 2 ore (lucrari si aplicatii numerice) Sem. II- curs 2 ore, activitate in laborator 2 ore + 1 ora proiectare
Bibliografie • Sem.I
- Koncsag C.I.,Procese de transfer de masa in sistem lichid- vapori”, Ed.Virom Constanta, 2004 - Taran, C ., Stratula C., Procese difuzionale de separare, vol I.,IPG Ploiesti,1979 - Stratula C., Vaporizarea si condensarea. Principii si metode de calcul,Ed.Tehnica,1988 - Stratula C., Fractionarea. Principii si metode de calcul, Ed.Tehnica, 1986
Importanţa proceselor de separare în activitatea umană (I) • Substanţele au tendinţa de a se amesteca spontan, procesul de amestecare desfăşurându-se cu mărire de entropie şi urmând principiul al doilea al termodinamicii, expus în următoarea formă de către Clausius: “ Entropia Pământului tinde către un maxim “. • Pentru a separa substanţele, conform trebuinţelor lor, oamenii au inventat aparate, sisteme sau procese care să furnizeze energia necesară compensării energiei de amestecare. • Se definesc procesele de separare ca fiind acele procese care transformă un amestec de substanţe în două sau mai multe produse cu caracteristici chimice diferite.
Importanţa proceselor de separare în activitatea umană(II) • purificarea reactanţilor şi purificarea produselor din reactoarele chimice industriale. • rafinarea unor materii prime naturale : rafinarea zahărului din trestia de zahăr sau sfeclă de zahăr; rafinarea gazului natural şi a ţiţeiului. • recuperarea metalelor din minereuri. • fabricarea oxigenului şi azotului din aer. • purificarea apei şi a aerului poluate. • separarea uraniului din minereul de uraniu. • desalinarea apei, etc.
Schema de principiu a unui proces de separare Agent de separare Alimentare
(m.p.)
Produs I
Aparat de separare Produs II
Clasificarea proceselor de separare - După omogenitatea materiei prime: • •
separare mecanică ( pentru materia primă heterogenă); separarea difuzională ( pentru materia primă omogenă).
– După natura agentului de separare : » »
cu agent de separare material. cu agent de separare energetic.
- După forţa motrice care determină transferul de masă : »
»
procese la echilibru ( forţa motrice : gradientul de concentraţie între două faze nemiscibile aflate în echilibru termodinamic). procese de separare neconvenţionale ( forţa motrice : gradient de presiune, temperatură, potenţial electric).
Clasificarea proceselor de separare ( King, 1980) A. Procese de separare la echilibru, cu agent de separare energetic Denumirea procesului
Alimen tare
1
Evaporare
2
Vaporizare instantanee
3
Distilare
L şi_sau V
4
Cristaliza-
L
re
lichid (L) L
Agent de separare
Căldură
Reducer e de presiune Căldură
Agent de răcire sau de încălzire ce determină evaporarea
Principiu de separare
Exemplu practic
Diferenţă de volatilitate
Concentra-rea saramurii
L+V
Diferenţă de volatilitate
Desalinare a apei marine
L+V
Diferenţă de volatilitate
Separare propan propilenă
L+S
Participare preferenţială în structură cristalină.
Separarea zahărului din soluţie apoasă
Produşi
Lichid + vapori L+V
5
Uscarea solidelor
Solid umed solid
S+V
Evaporare lichidului
Căldură
S+V
Sublimarea apei
ce
îngheţată
include apă îngheţată
Desublimare
V
Uscarea 6
Agent
de
răcire
7
Participare
Solid 8
9
neuniformă
S
Reacţii
de
schimb
la
două temperaturi
compoziţie uniformă
Fluid
Încălzire urmată răcire
de
Două fluide
cu
Dehidratarea alimentelor
Purificarea
preferenţială structură cristalină.
S+V
Căldură
Topire
Dehidratarea alimentelor
Căldură
în anhidridei ftalice
Participare
preferenţială în Purificarea structură avansată cristalină. metalelor Diferenţa între constantele
de
echilibru la două temperaturi
Separarea hidrogenului deuteriu
a
de
B. Procese de separare la echilibru, cu agent de separare material. Nr crt.
1
Denumirea procesului
Stripare
Alimentare
lichid (L)
Agent separare
de
Gaz nemiscibil cu lichidul
Produşi
L+V
Principiu separare
de
Diferenţă
de
Exemplu practic
Îndepărtarea hidrocarburilor
uşoare fracţiile
volatilitate
din
petroliere
Îndepărtarea 2
Absorbţie
G
Lichid nevolatil
L+V
Solubilitate
H2S din hidrocarburi gazoase
preferenţială Solubilitate
L 3
Extracţia
Solvent (lichid)
Două lichide
diferită
a
solutului în cele lichide
Extracţia
HC
aromatice
din
fracţia benzină
de de
reformare
catalitică Extracţia cu apă 4
Spălare
Solubilitate
S
Solvent
L+S
preferenţială
a CuSO4 din minereu calcinat
L 5
Precipitare
Reactant chimic
L+S
Formare precipitat insolubil
de
Adsorbţia preferenţială a 6
Adsorbţia
Fluid
Adsorbant
S+ Fluid
Tratamentul apelor calcaroase cu CO2
Uscarea gazelor
unor
componenţi
ai
fluidului.
7
Schimb de ioni
Răşină solidă L
L+ Răşină solidă
Afinitate
Dedurizare apei
chimică Prevenirea
8
Respingere de ioni
L
L
9
Cromatografi e pe hârtie
Cromatografi e pe liganzi
L
10
Solid adsorbant
L+ Răşină solidă
adsorbţiei speciilor
cu
Separarea acizilor nucleici
aceeaşi sarcină electrică Capilaritate, Hârtie
solubilitate adsorbţie preferenţială L+ solid Interacţiune purtător dechimică liganzi reversibilă zone de hârtie
şi
umectată
liganzi
cu
Separarea proteinelor
Separarea enzimelor
liganzii
Fracţionarea 11
cu (în
barbotare stare de
spumă)
L
Bule de aer şi agenţi de suprafaţă
Tendinţa două lichide
anumitor molecule de a se acumula la
Îndepărtarea detergenţilor din apele
de
interfaţa
spălătorii -flotaţia
lichid -aer
minereurilor
la
C. Procese de separare le echilibru cu gradient impus. Nr.
Denumirea procesului
Alimentare
Agent separare
Focalizare izoelectrică
lichid
1
lichid
2
Ultracentrifugare
de
Produşi
Principiu separare
de
Exemplu practic
Câmp electric; gradient PH
Lichide
Mişcare în câmp electric
Separarea proteinelor
Forţe centrifuge
Lichide
Gradient densitate
de
Separarea lichidelor biologice
Principiu separare
de
Exemplu practic
Diferenţa volatilitate
de
Purificarea butadienei
D. Procese de separare la echilibru cu mai mulţi agenţi. Nr. crt
Denumirea procesului
Alimentare
Agent separare
de
1
Distilarea extractivă şi azeotropă
L şi_ sau V
lichid+căldură
L+V
2
Clatrare
lichid
molecule de clatrare+ răcire
L+S
Produşi
Participarea preferenţială structura cristalină
Desalinarea apei la marine.
E. Procese neconvenţionale de separare. Nr. crt.
1
2
3
4
5
6
7
8
Denumirea procesului
Alimentare
Agent separare
de
Produşi
Principiu separare
Difuzie
gaz
gradient presiune
de
gaze
Diferenţa de viteză
de
gazoasă
câmp magnetic
gaze
Sarcini
Separarea izotropilor
membrane selective
lichide
Difuzivitate
Membrane anionice sau cationice + câmp ionic
lichide
membrane selective gradient presiune
gaze
Spectrometrie
gaz
Dializa
lichid
lichid
temperatură
Permeabilitate de gaze
gaz
Electroforeza
lichide + coloizi
câmp electric
lichid
câmp electric
Electroliză
Concentrarea 235 UF 6 din UF6 natural Separarea izotropilor
gradient
Electrodializa
prin
Diferenţe de difuzivitate termică
fluid
de masă
de difuziune bariere poroase
Exemplu practic
fluide
Difuzie
termică
de
diferite
unitatea de masă
pe
diferită
Funcţionarea
prin membrane
rinichilor artificiali
tendinţa
Desalinarea apei
membranelor
+ de
anionice de a lăsa să treacă numai cationii Diferite solubilităţi şi viteze de transport prin membrane
lichide
Mobilităţi diferite ale coloizilor
lichide
Diferite
viteze
de
descărcare a ionilor pe electrozi
Purificarea H2 prin membrane de Pd Separarea proteinei
Concentrarea apei grele
forţe centrifuge
9
Ultracentrifug area
lichid
10
Osmoză inversă
soluţie lichid gradient presiune
membrană 11
Ultrafiltrarea
soluţii ce conţin coloizi
12
13
14
15
gradient presiune
membrană
de +
de +
Distilarea moleculară
amestecuri lichide
căldură+ vacuum
Filtrarea geluri
lichid
gaz – solid
prin
două lichid diferenţe de densitate
Separarea moleculelor mari de polimeri
două soluţii
Desalinarea apei prin membrane
Două faze lichide
L+V
de şi
difuzivitate membrane
prin
permeabilitate
diferită membrană
prin
Diferenţă de viteză de vaporizare
lichid + gel
Membrane lichide
lichid
strat de solvent lichide
lichide
Difuziune
gaz
gradient presiune
gaze
prin ştuţuri
diferenţe solubilitate
de
Diferenţe de mărime între molecule
Tratamentul apelor uzate Concentrarea proteinelor Rinichi artificiali Separarea esterilor vitaminei A Purificarea produselor farmaceutice
viteze diferite de permeabilitate prin stratul lichid
Prelucrarea apelor uzate
Diferite
Separarea izotopilor uraniu
ieşire în ştuţuri
viteze
jet
de
prin
de
SEPARǍRI MECANICE F. Separări bazate pe diferenţe de densitate Produşi
Principiu separare
Gravitaţie
L+S separate
diferenţă de densitate
Câmp centrifugal
L+S separate
diferenţă de densitate
două
diferenţă de densitate
separarea grâului
Exemplu practic
Nr. crt.
Denumirea procesului
Alimentare
Agent separare
1
Sedimentarea
L+S sau lichid nemiscibil 2
2
Centrifugarea
3
Elutrierea (vântuarea)
solide
de
Gravitaţie
de
solide
Exemplu practic limpezirea
soluţiei de var
recuperarea
produşilor de reacţie din masa de reacţie de tărâţă
G. Separări bazate pe diferenţa de mărime Nr. crt.
Denumirea procesului
Alimenta
Agent separare
de
Produşi
Principiu separare
1
Filtrarea
L+S
Diferenţă
de
L+S separate
diferenţa de mărime faţă de porii filtrului
Recuperarea catalizatorilor din slurry
Diferenţă de presiune+ plasă
G+S/L separate
diferenţa de mărime faţa de ochiurile
Îndepărtarea picăturilor
presiune+ mediu filtrant 2
Separare
picături
de
G+S/L
în
demistere 3
Centrifugare+ filtrare
L+S
forţă centrifugă+ diferenţă de
L+S separa
de
plasei
H2SO4 gazele de
diferenţa de mărime faţă de porii filtrului
Filtrarea cristalelor
respingerea
Separarea particulelor
presiune 4
Cromatografie de particule
solide în lichid
răcire
Solide lichid
în
îngheţat
din
structura cristalină a particulelor mai mari
decât mărimea critică pentru
viteza
îngheţare dată
de
de
din
coş de
zahăr din sirop
solide mărime
după
H. Separări mecanice bazate pe tensiune interfacială Nr. crt.
Denumirea procesului
Alimentare
Agent separare
1
Flotaţie
solide sub
agenţi
formă de pudră,
de
Produşi
Principiu separare
două
tendinţa
solide
tensioactivi+ aer barbotare
de
Exemplu practic
anumitor
Flotaţia
specii de a se orienta
minereurilor
Produşi
Principiu separare
de
Exemplu practic
L+S separate
tendinţa lichidului de a curge dacă i se aplică un gradient de
Separarea siropului
la interfaţă
amestecate
I. Separări mecanice bazate pe fluiditate Nr.
Denumirea procesului
Alimentare
Agent separare
1
Presare
L+S
forţă mecanică
de
presiune
din
pulpă,
la
fabricarea
zahărului
J. Separări mecanice bazate pe câmp electric Denumirea procesului
PrAlimentare
Agent separare
Precipitarea
Gaz+Solide fine
câmp electric
electrică
de
Produşi
Principiul de separare
Gaz+ solide separate
încărcarea
particulelor solide
prafului
Produşi
Principiul de separare
Exemplu practic
două
atragerea materialelor magnetice
Concentrarea materialelor feroase
electrică
Exemplu practic
a
Îndepărtarea gazele de coş
din
K. Separări mecanice bazate pe câmp magnetic Denumirea procesului
Alimentare
Agent separare
Separarea magnetică
Amestecuri de solide sub
câmp magnetic
formă de pudră
de
solide
MECANISMELE TRANSFERULUI DE MASA Materia se poate mişca spontan prin unul sau mai multe din următoarele mecanisme: • 1. Difuzia moleculară – aceasta este rezultatul mişcării browniene a moleculelor şi este limitată de ciocnirile între molecule. • 2. Convecţia ( sau curgerea sub formă de curenţi ) – este rezultatul unui gradient de presiune, de temperatură sau a oricăror forţe externe impuse. • 3. Amestecarea turbulentă ( sau curgerea sub formă de vârtejuri) este rezultatul forţelor de inerţie ce acţionează asupra fluidului.
Legea lui Fick (1855) privind transferul de masa prin difuzie N A D AB •
•
• • •
dcA dz
unde NA este fluxul molar de component A pe direcţia de transfer de masă „z”, [kmol/m2s]; DAB – coeficientul de difuzie moleculară a componentului A in mediul format din component „B” (difuzivitate ), [m2/s]; valoarea acestui coeficient depinde de natura componenţilor A şi B şi de presiunea şi temperatura sistemului; - gradientul de concentraţie a componentului A pe direcţia de transfer „z”. Legea se scrie la fel şi pentru gazul B, cu înlocuirea indexului A cu B. Există analogie între legea lui Fick pentru transferul de masă, legea lui Fourier pentru transferul de căldură, legea lui Newton pentru transferul de impuls şi legea lui Ohm pentru conducţie. Analogia provine din faptul că mecanismul de transfer este asemănător: se transferă masă, impuls, căldură sau energie electrică prin mişcarea browniană a moleculelor, respectiv a electronilor. Acesta este unul dintre argumentele care demonstrează că natura este guvernată de legi universale.
Difuzia moleculară în gaze •
Modelul general cel mai bine şi mai simplu realizat până în prezent care descrie difuzia gazelor este modelul Maxwell – Stefan. El descrie difuzia unidirecţională a gazelor. • Difuzia unidirecţională reprezintă o simplificare a proceselor reale (difuzia reală fiind multidirecţională ), simplificare necesară pentru înţelegerea fenomenelor şi mai ales pentru descrierea lor matematică. • Modelul este valabil numai în regim staţionar (parametrii sistemului sunt constanţi în timp).
NA NB y
yA1
yB1
yB2
yA2
y
1
2
z z1
dy A dz
1 cD AB
N B y A N A y B
l
z2
Difuzia echimolară în sensuri opuse (contradifuzia echimolară ) • NA = - NB N A N B
cD AB l
cD BA l
A
A+B
NB
y A1 y A 2 DAB=DBA=D
B
y B 2 yB1 y (p) yA1
NA yB1 NB
yA2 yB1
z1
l
z2
NA
B+A
Difuzia monocomponent în regim staţionar
NB = 0 dy A dz N A
1
cD AB
cD AB l
pB2
p (y)
( N B y A
N A y B )
0
y A1 y A 2 y A1 y A 2
pB1 pA1
ln
1
y A 2
1
y A1 pA2 z1
z2
Difuzia turbulentă în regim staţionar
Difuzia turbulentă în regim staţionar este provocată de agitarea mecanică, moleculele agitate vor schimba impuls între ele, micşorând distanţa dintre ele si mărind aria prin care se petrece difuzia . Ca urmare a difuziei turbulente, viteza de transfer de masă se măreşte . Modelele matematice discutate mai sus rămân valabile şi la difuzia turbulentă, cu deosebirea că, în expresia fluxurilor molare în locul difuzivităţii DAB sau DBA apare termenul (DAB +EA) , respectiv (DBA+ EA) . Coeficientul EA se numeşte coeficient de difuzie turbulentă
Difuzia în lichide • Ea este descrisă prin relaţii asemănătoare cu cele de la difuzia în gaze, cu deosebirea că DAB variază foarte mult pe distanţa de difuziune, de aceea, se va considera un DAB mediu. • La difuzia echimolară în sensuri opuse : N A
devine: N A
cD AB l
y A1
y A2
D AB x A1 x A 2 l M m
