TEHNOLOŠKE OPERACIJE

Predavanje 13

Adsorpcija je tehnološka operacija kod koje se na graničnoj površini izmeĎu čvrste ili tečne faze, ili gasovite ili tečne faze nakuplja neka materija iz gasovite ili tečne faze, u koncentraciji većoj od koncentracije te materije u gasovitoj ili tečnoj smeši

Adsorpcija je zadržavanje supstanci iz fluida na površini čvrstog materijala (adsorbenta) preko slabih intermolekulskih veza

Adsorpcija se primjenjuje za uklanjanje obojenih materija iz šećernih rastvora i jestivih ulja, uklanjanje organskih materija iz zagaĎenih voda, sušenje i čišćenje gasova, čišćenje rastvora (dezodorizacija, dekolorizacija), razdvajanje smeša gasova ili para, hromatografiju itd.

Služi za uklanjanje ili izdvajanje materija prisutnih u malim količinama, a koje se na drugi način ne mogu izdvojiti ili je to preskupo

Čvrsta materija na čijoj se površini odvija adsorpcija naziva se ADSORBENS, a supstanca koja se adsorbuje ADSORPTIV ili ADSORBAT

Fizička i hemijska adsorpcija

fizička (Van der Wals-ove sile, reverzibilna)

hemijska (hemijska veza)

Količina adsorbenta koji može vezati adsorptiv zavisi od prirode adsorbenta, temperature i koncentracije adsorbenta

Prema Langmuir-u adsorpcija prestaje onog momenta kada se na površinu adsorbenta nahvata monomolekulski sloj adsorptiva

Adsorpcija je jednaka brzini desorpcije (jednačina po Langmuir-u):

gde je

mm - količina adsorptiva potrebna da se površina 1 kg adsorbenta prekrije monomolekulskim slojem (kgk)

m - količina adsorbovanog gasa

K2 i K1 - konstante

21

1

KpK

pK

m

m

m

Smeša supstanci koje se različitom brzinom adsorbuju pri ispiranju adsorbata, frakcionisano će se desorbovati (hromatografija)

Adsorptiv koji se lakše adsorbuje, teže se desorbuje

Kao sredstva za desorpciju koriste se: suvozasićena ili pregrejana para, pare organskih rastvarača ili inertni gasovi (He, N2)

Najčešći adsorbenti: silikagel, aktivni ugalj, koštani ugalj, zemlje za beljenje, aktivne gline, aktivirani aluminijum oksid i aktivirani boksit, magnezijum oksid, molekulska sita

Tipovi adsorbera:

Adsorberi sa mirujućim slojem adsorbenta

Vertikalni cilindrični adsorberi

Adsorberi sa gibajućim slojem adsorbenta

Adsorberi sa fluidiziranim adsorbentom

Višekomorni adsorber sa fluidiziranim adsorbentom

Apsorpcija je tehnološka operacija kojom se uklanja jedna ili više komponenti iz smeše gasova pomoću pogodne tečnosti

Gasna faza se naziva apsorptiv, a tečna apsorbens

Zavisno od toga da li apsorptiv i apsorbens reaguju tokom procesa, apsorpcija može biti fizička i hemijska

Desorpcija je oslobaĎanje gasa iz tečnosti

Projektovanje ureĎaja za apsorpciju – intiman kontakt gasa i tečnosti:

UreĎaj je sličan ureĎaju za destilaciju (rektifikaciju), pri čemu se najviše koriste kolone sa podovima i kolone sa punjenjem. MeĎutim, kod procesa apsorpcije gasna smeša se uvek uvodi na dno ureĎaja, dok se tečnost obavezno dovodi na vrh. Rastvarač sa apsorbovanim gasom napušta kolonu na dnu, a osiromašena gasna struja izlazi iz kolone na vrhu ureĎaja.

U stanju ravnoteže gasa i apsorbensa pri T, p = const. molski udeo rastvorenog gasa u apsorbensu zavisi od parcijalnog pritiska gasne komponente u gasnoj smeši

Prema Henry-jevom zakonu

gde je

ppk - parcijalni pritisak gasne komponente u gasnoj smeši

- Henry-jev koeficijent (zavisi od temperature)

X - molski udeo rastvorenog gasa

rr - toplota rastvaranja gasa (J/mol)

K - konstanta karakteristična za gas

Henrijeva konstanta raste sa povećanjem temperature, što znači da tada opada rastvorljivost gasa u tečnoj fazi

)( 2N/mXHppk

KTR

rH r

ln

H

Raoult-ov zakon:

parcijalni pritisak para komponente u pari ppk jednak je proizvodu pritiska pare čiste komponente pk i molskog udela komponente u tečnoj smeši Xk:

Na odstupanje od ovoga može uticati gasna faza samo pri visokim pritiscima

Za te slučajeve važi Raoult-ov zakon:

gde je

apk - parcijalna aktivnost komponente pri temparaturi T i ukupnom pritisku p

ak - aktivnost komponente pri pritisku jednakom pritisku zasićene pare čiste komponente

)( 2N/mXpp kkpk

)( skkpk /molmolXaYa

Jednačina pogonskog pravca

L , XO

G,Y1

Y

G

L

X

g,Yo

L,X1

Kolona sa

umecima

G”- masena brzina inertnog gasa [kgi /(m

2s)]

L” - masena brzina apsorbensa - tečnosti [kga/(m

2s)]

Yo - maseni odnos komponente koja se apsorbuje iz gasne smeše na ulazu u kolonu [kgk/kgi]

Y1 - maseni odnos komponente koja se apsorbira iz gasne smeše na izlazu iz kolone [kgk/kgi]

Xo - maseni odnos komponente koja se apsorbira u apsorbensu na ulazu u kolonu [kgk/kga]

X1 - maseni odnos komponente koja se apsorbira u apsorbensu na izlazu iz kolone [kgk/kga]

)()( 01''

10'' XXLYYG

Masena brzina gasne komponente u donjem delu kolone:

jednačina pogonskog pravca:

u YX dijagramu

gde je

L”/G” - koeficijent nagiba pogonskog pravca

01 - ravnotežna linija apsorpcije; pravac se ucrtava spajanjem tačaka sa koordinatama Yo, X1 i Y1, Xo

oYXXG

LY 10''

''

1

)()( 01''

10'' XXLYYG

Apsorber sa mešalicom

S - apsorber

Centrifugalni apsorber

Tipovi apsorbera:

Površinski i slojni apsorberi

Apsorberi sa umecima

Barbotažni apsorberi

Apsorberi sa raspršivanjem kapljica

Kristalizacija je proces u kom dolazi do formiranja kristala iz homogenog rastvora, nakon čega se vrši njihovo izdvajanje separacijom tipa čvrsto / tečno

To je jedan od najvažnijih načina dobijanja čvrstih materija visokog stepena čistoće

Kristali su čvrsta, hemijski homogena tela koja imaju pravilan oblik. Sačinjeni su od atoma, jona ili molekula koji su rasporeĎeni u trodimenzionalne površinske i prostorne rešetke.

Ako se kristali iz vodenog rastvora formiraju kao čista jedinjenja onda se oni nazivaju bezvodni kristali. Poseban oblik i vrsta kristala su kristalohidrati (hidrokristali)

Za proces kristalizacije veoma je važna koncentracija rastvorene supstance u rastvoru, temperatura kristalizacije i proces hidratacije

Tako, rastvor koji sadrži maksimalnu količinu rastvorene supstance naziva se zasićeni rastvor

Ako se snižava temperatura rastvora hlaĎenjem, smanjuje se rastvorljivost rastvorka u rastvoru, čime se povećava njegova koncentracija.

Ako se povećava temperatura rastvora zagrevanjem do temperature ključanja (uparavanje), udaljava se deo rastvarača iz rastvora, narušava se faza ravnoteže usled čega rastvor postaje prezasićen. Na taj način se povećava koncentracija rastvorka u rastvoru.

Proces kristalizacije obuhvata:

Stvaranje jezgara (centara kristalizacije) usled sudara jona ili molekula rastvorene supstance

Rast nastalih jezgara u rastvoru

Za stvaranje velikog broja jezgara pogoduje visoka temperatura i mala molekulska težina rastvorene supstancije, brzo hlaĎenje, energično mešanje

Vremenski period od momenta formiranja jezgra do pojave vidljivog kristala u matičnom rastvoru naziva se indukcioni period

Mali broj jezgara daju krupne kristale, a obrnuto se dobijaju sitni kristali (pločastog ili igličastog oblika)

Metode kristalizacije i uređaji:

Kristalizacija sa uklanjanjem jednog dela rastvarača

Kristalizacija bez uklanjanja rastvarača

KONTINUIRANA - rašireniji tip, veliki ureĎaji, bolja homogenizacija

DISKONTINUIRANA - u velikim ureĎajima, veliki utrošak ručnog rada, kristalni oblik nije uvek homogen

Otparavanje sa kristalizacijom

Kristalizacija sa vazdušnim hlaĎenjem

Vakuum kristalizacija

Bilans materijala:

gde je

G1 , G2 , Gkr - težina početnog rastvora, matičnog luga i kristala (kg)

W - težina isparenog rastvarača

Količina izdvojenih kristala:

gde je

B1, B2 - koncentracija početnog rastvora i matičnog luga u težinskim udelima

Bkr - odnos molekulskih težina otopljene supstance i kristalohidrata

WGGG kr 21

2

2211 )(

BB

WBBBGG

krkr

Toplota unešena sa početnim rastvorom:

gde je

c1 - srednja specifična toplota polaznog rastvora (kJ/kg·K)

t1 - temperatura polaznog rastvora (°C) ili (K)

Toplota stvaranja kristala:

gde je

n - količina molova hidratne vode na 1 mol supstance koja kristališe

qA,B,C - toplota formiranja kristala iz otopljene supstance (kJ/kg·mol)

)( 1111 kJtcGQ

BAC qnqqq