Separační procesy Separační procesy Slouží k oddělení heterogenních i homogenních směsí chemických látek na základě odlišných fyzikálně-chemických vlastností. Nejčastěji se jedná o směs produktů (hlavní a vedlejší), případně o směs produktu/ů a nezreagovaných reaktantů. Systémy směsí: heterogenní g g g l (mlha, pěna) g s (dým) l l (emulze) l s (suspenze, tuhá pěna) s s homogenní g g (směs plynů) g l (plyn rozpuštěný v kapalině) g s l l (mísitelné kapaliny) l s (roztok) s s (slitiny kovů) Dělení heterogenních směsí Pokud převažuje tekutá (g, l) fáze, je možno směs dělit na základě: - rozdíl hustot (sedimentace) - průchod tekutiny porézní přepážkou (filtrace, membránová separace) - ionizace pevných částic (elektrostatické odlučování) Při malém množství kapalné fáze - odpařování (sušení) Systém s s - rozdílná hustota, magnet. vlastnosti (rozdružování) - rozdílná rozpustnost - rozdílná smáčivost (flotace) 1
10.5.2017 Dělení homogenních směsí Směs plynů - sorpce (absorpce, adsorpce) - rozdílná velikost molekul (membránová separace) - rozdílná teplota varu (destilace, rektifikace) Směs mísitelných kapalin - kapaliny s rozdílnou tenzí par (destilace, rektifikace) - kapaliny s blízkou tenzí par (extrakce) Netěkavé látky rozpuštěné v kapalinách (odpařování a krystalizace) - rozpustnost se s teplotou příliš nemění - rozpustnost je silně závislá na teplotě Usazování (l-s, l-l, g-s, g-l, s-s) rozdílná hustota dělených látek na systém působí gravitační zrychlení rychlost usazování v gravitačním poli = 1,74 = turbulentní (Newton) laminární (Stokes) možnost třídění na základě velikosti částic třídící žlab možnost třídění na základě rozdílné hustoty materiálů rs1> rl> rs2 usazovák Dorr (l-s) Filtrace (l-s, g-s) porézní přepážka filtr vhodně zvolená velikost pórů koláčová / hloubková filtrace přetržitá / kontinuální filtrace hnací síla rozdíl tlaků před a za přepážkou uměle (tlaková/vakuová f.) hydrostaticky odpor proti filtraci - viskozita, odpor f. koláče a filtru tlaková diference stálá / proměnná Rotační vakuový bubnový filtr, kalolis, rukávové filtry, pískové filtry 2
Odstřeďování (l-s, l-l) stejný princip jako u usazování (filtrace) na systém působí odstředivé zrychlení (až o 3 řády vyšší než g) rozdíl hustot může být i jen 1% vyšší výkon zařízení (hmotnostní tok) diskontinuální / kontinuální odstředivky (sedimentační/filtrační/separační) cyklóny, lamelový usazovák Membránové separace (l-s) analogie s filtrací selektivita na základě velikosti částic (molekulové hmotnosti) nejčastěji uspořádání cross-flow retenát (obohacený roztok) / permeát (ochuzený r.) tlakové procesy mikrofiltrace (10-0,1 µm, do 0,2MPa) mikroorganismy, koloidní částice ultrafiltrace (10-3 nm, 0,1-0,5 MPa) makromolekuly, viry nanofiltrace (3-1 nm, 0,5-3,5 MPa) pesticidy, cukry reverzní osmóza (1,5-15 MPa) veškeré rozpustné soli kromě principu molekulového síta se na separaci podílí i interakce mezi membránou a filtrovanými látkami (NF, RO) Membránová separace - Filtrace 3
Elektrostatické odlučovače (g-s, g-l) princip vznik (ionizace) nabitých (-) částic v silném SS elektrickém poli a jejich migrace k (+) elektrodě záporná elektroda drát ve středu kladná elektroda plášť odlučovače po vybití částice ulpívají na (+) elektrodě (oklep/oplach), nebo opadávají výkonné a účinné (99.9%) Sušení (g-l, l-l nebo s-l) proud sušícího plynu (malé množství par l) spotřeba výparného tepla volné sušení / sušení s nucenou konvekcí ohřátý proud plynu podle směru toku - souproudé, protiproudé a křížové statické, přesýpací, lineární, unášecí podle způsobu přívodu tepla: konvekční, kontaktní, sálavé, elektrické, parní, lyofilizační podle uspořádání: proces složen jak z prostupu tepla, tak z difúze páry základní podmínka relativní vlhkost plynu je nižší než relativní vlhkost sušeného materiálu sušárny: rozprašovací, rotační bubnová, fluidní h-x Mollierův diagram 4
Flotace (s-s) jeden z nejdůležitějších separačních procesů úprava hornin principem jsou rozdílné mezipovrchové jevy v třífázových soustavách rozdílná smáčivost, tvorba a zadržování bublin pěnová flotace nesmáčivý materiál přechází do pěny, smáčivý klesá ke dnu upravování flotační směsi přísadami, stabilizátory elektroflotace (ellýza vody) Změny chemicko-fyzikálních vlastností v závislosti na koncentraci dodecylsíranu sodného. 1) smáčivost 2) hustota 3) vodivost 4) povrchové napětí 5) osmotický tlak 6) ekvivalentní vodivost 7) mezifázové napětí Odpařování, krystalizace (l-s) lze využít pro oddělení netěkavých tuhých látek rozpuštěných v rozpouštědle zvýšení koncentrace nad mez rozpustnosti závislost rozpustnosti na teplotě odpaření (vakuum) změna teploty vlastnosti částic je možné řídit ochlazování, míchání Destilace dělení směsí dokonale mísitelných kapalin s rozdílnou tenzí par páry vznikající při odpařování směsi jsou bohatší na těkavější složku složení páry je odlišné od složení výchozí směsi ideální směsi zeotropní směsi (drobné odchylky od Raoultova zákona) neideální azeotropní směsi (interakce H-vazby) složení par azeotropu je totožné se složením kapalné fáze (nelze destilačně dělit) (lze řešit např. změnou tlaku, nebo přídavkem 3. složky) 5
Rektifikace vícenásobná destilace se zpětným tokem počet teoretických pater McCabe-Thieleho metoda kolony kloboučkové, sítové, náplňové p1: y = x + q: y = x R = q = q > 1 nástřikem je kapalina při teplotě nižší než bod varu q = 1 nástřikem je kapalina při teplotě bodu varu 0 < q < 1 nástřikem je směskapaliny a páry q = 0 nástřikem je sytá pára q < 0 nástřikem je přehřátá pára Rektifikační kolony Extrakce (l-s, l-l) pro dělení kapalin s blízkou tenzí par (teplotou varu) extrakční činidlo ex rozpustnost kapaliny l1 v extrakčním činidle je lepší než v původní kapalině l2 extrakční činidlo je nemísitelné s původní kapalinou l2 (omezeně mísitelné) l1 nesmí s ex vytvářet azeotropní směs rozdělovací koeficient K = kontinuální i nekontinuální, vícestupňová superkritická extrakce (CO 2,T c =31 C, p c =74 bar) následuje oddělení ex a l2 (dekantér) a destilace / odpaření 6
Absorpce (g-g) pohlcování jednoho (nebo všech kromě jednoho) plynu ze směsi v kapalině fyzikální a chemická Henryův zákon p = k x pozitivní vliv má nižší teplota a vyšší tlak difúzní proces hnací silou je rozdíl koncentrací látky A v plynné a kapalné fázi důležitým faktorem je styčná plocha plynu a kapaliny kolony podobné jako u rektifikace Adsorpce (g-g, l-g, l-l, s-l) pro dělení homogenních směsí sorpce na povrchu tuhých látek s velkým spec. povrchem (stovky m 2 /g) selektivita je ovlivnitelná provozními parametry a typem sorbentu adsorpci pozitivně ovlivňuje tlak a nižší teplota fyzikální ads. malá akt. energie, exotermní, rychlá, vícevrstvá, vratná chemická ads. vyšší akt. energie, exotermní, pomalejší, monovrstva jen na akt. místech, selektivní, nevratná adsorbéry s pevným ložem, fluidní adsorbéry PSA, TSA Pressure / TemperatureSwing Adsorption 7