Hoofdstuk 4 Flashcards
PID
proces and instumentation diagram
Eenheidsprocessen gaan altijd gepaard met 1 of meerdere fysische transportverschijnselen ,
onderverdeeld in 3 types:
- monentumtransfer
- warmtetransfer
- massatransfer
momentumtransfer/stroming
volledige bulkmatrix van fluida en vaste deeltjes onder invloed van een drukverschil (Δp)
2 soorten stroming
- laminaire stroming: stroombeweging is evenwijdig
- turbulente stroming: stroombeweging is willekeurig
Reynalds getal (Re)
Re = p . v . L/η
v = snelheid p = druk L = lengte van de buis η = viscositeit van de stof
Re < 2000 => laminair
Re > 4000 => turbulent
warmtetransfer
overdracht van warmte van een plaats naar een andere plaats onder invloed van een temepratuurverschil (ΔT)
massatransfer
netto beweging van een stof in een mengsel van een eerste naar een tweede locatie
maw: het verplaatsen van een stof binnen in een bulkmatrix onder invloed van een concentratieverschil (Δc)
stel c1 > c2: een druppel inkt zal zich dan verplaatsen naar de lagere concentratie om zo de concetratie weer gelijk te maken
advectie bij massa transfer
volgens stroomrichting
moleculaire diffusie bij massa transfer
stroom verplaats zich van hoge c naar lage c
turbulente diffusie bij massa transfer
pakket moleculen verplaatst zich van hoge c naar lage c
drijvende kracht
een fysisch transportverschijnsel vindt enkel en alleen plaats als er een
drijvende kracht is Δp, ΔT en Δc)
flux (ɸ)
= hoeveelheid massa dat over een tijdseenheid verplaatst wordt doorheen een
oppervlak [J/m2s]
= drijvendekracht/weerstand
thermodynamisch evenwicht
wanneer de drijvendekracht gelijk is aan 0 => flux = 0
thermodynamisch evenwicht
wanneer de drijvendekracht gelijk is aan 0 => flux = 0
thermodynamica
wat is de richting en de mate van een fysisch transportverschijnsel?
E0 =/= E1 opdat er een drijvendekracht is
kinetiek
hoe snel verloopt de transfer? Hoe groter de weerstand, hoe trager het verloop
weerstand = afstand van E1 tot top van de parabool
katalysator
manier om de activeringsenergie van een transportverschijnsel te verlagen
behoudswetten
- behoud van energie
- behoud van massa
steady-state proces
totale massa inputstromen = totale massa outputstromen (er is geen accumulatie)
materiaalbalans
schematische voorstelling van het proces met chemische reacties en een balans
opslag van gassen en vloeistoffen
wordt algemeen vermeden omwille van hoge kosten en grote volumes, indien het toch nodig is worden gassen afgekoeld tot vloeistoffen
transport van gassen en vloeistoffen
via pijpleidingen die een verbing vormen tusssen opslagtanks en procesapparatuur, hiervoor is er mechanische energie nodig om de grote druk en hoogteverschillen tegen te gaan => pompen bij vloeistoffen en ventilatoren of compressoren bij gassen
centrifugaalpomp
Emotor -> Ekin -> hoge snelheden in pomp
voordelen: uniforme anlevering = geen impulsen
nadelen: werkt niet met visceuze stoffen
verdringerpomp
Emotor -> Epot -> hoge druk en lage snelheid
het is een volumetrische methede (telkens een vast volume per cyclus, niet continu)
voordelen: werkt met zeer visceuze stoffen
nadelen: trager
3 soorten:
- alternerende zuiger
- roterende pomp
- perisaltische pomp
alternerende zuiger
bij het aanzuigen vergroot (rechts) het inwendig volume dat zich vult met de te transporteren vloeistof en bij het persen (links) wordt de vloeistof uit het kleiner wordend pomphuis weggeduwd (zie afb)
roterende pomp
verplaatsing van fluida dmv in elkaar passende tandraderen die roteren in een stator
wordt vooral gebruikt voor zeer visceuze vloeistoffen
peristaltische pomp
hier wordt gebruik gemaakt van flexibele leidingen die alternerend dichtgeknepen worden over een bepaalde lengte door een aantal rollers die op een rotor worden geplaats. Wanneer de rollers bewegen drukken zij de leiding samen en zuigen zo vloeistof aan langs 1 kant terwijl ze aan de andere kant vloeistof uit de leiding persen.
voordelen: geen contact tussen vloeistof en pompmechaniek (verlaging van verontreiningskosten)
nadelen: pulserende werking
ventilatoren
gebruik van centrifugale kracht die door propplers wordt uitgeoefend
compressoren
hierbij wordt een hogere drukopbouw toegepast, en lijkt qua werking en uitrusting sterk op de vloeistofpompen
opslag vaste stoffen
buitenlucht of silo’s, bij silo’s dient men rekenig te houden met de afschuifhoek van het materiaal om zo te zorgen dat de druk op de wanden niet te groot is en dat men niet te veel opervlakte verspilt
A: nauweliks druk, veel volume = best
B: geen druk maar weinig volume
C: te veel druk
transport vaste stoffen
- mechanische transport
- pneumatisch transport
- hydraulisch transport
mechanisch transport
gebruik van banden, trillen, shroeven
pneumatisch transport
verplaatsing van de vaste bulkstof mbv een gas (meestal lucht), dik kan met elk materiaal zo lang het niet te droog of te kleverig is
hydraulisch transport
verplaatsing dmv een vloeistof (meestal water), goed voor grote afstanden
warmteoverdracht
energie overdracht ten gevolge van een temperatuursverschil, gebaseerd op 3 fundamentele processen: geleiding, convectie en straling (apart of in combinatie)
conductieve warmteoverdracht
energieoverdracht door uitwisseling van Ekin tussen moleculen, de energiestroom gaat van hoog energetish naar laag
warmtestroom (Φ)
Φ = Q/Δt = = λ . A . (T2-T1)/Δx (W)
Q = warmtehoeveelheid A = opervlakte λ = evenredigheidsconstante = warmtegeleidingscoëfficiënt
drijvende kracht = Δt
weerstand = Δx/λ
metalen hebben een zeer hoge λ
gasse hebben een zeer lage λ
convectieve warmteoverdracht
veroorzaakt door beweging (verplaatsing van fluidumpakketten)
vrije convectie
veroorzaakt door dichtheidsverschillen (als gevolg van temperatuurverschillen)
Φ = Q/Δt = hc . A . (Tw-T) (W)
T = gemiddelde temperatuur van het fluidum Tw = temperatuur van het oppervlak hc = de functie van de geometrie van het oppervlak, van de aard en de stromingseigenschappen van het fluidum waarin convectie optreedt, en van het teperatuurverschil = convectieve oppervlaktewarmteoverdrachtscoëfficient
gedwongen convectie
veroorzaakt door een externe kracht
Φ = Q/Δt = hs . A . (Tw-T) (W)
hs = stralings-oppervlaktewarmteoverdrachtcoëffiënt
elektromagnetische straling
hoeveelheid energie die wordt uitgestraald is afhankelijk van de temperatuur en van de aard van het oppervlak
Φ = Q/Δt = hs . A . (Tw-T) (W)
hs = stralings-oppervlaktewarmteoverdrachtcoëffiënt
totale warmteoverdrachtscoëffiënt (h)
hc + hs
samenvating
zie afb e p83 cursus
apparatuur bij warmteoverdracht
gebruik van warmtewisselaars, hierbij komen koude en wame fluida niet in aanraking met elkaar maar worden ze gescheiden door een wand of buisvormig oppervlak
tubulaire warmtewisselaar
een buis met fluidum A in een grotere buis met fluidum B
platenwisselaar
bestaat uit parallelle stalen platen, elke plaat is een schedingswand tussen 2 fluida
voordelen: compact, capaciteit kan eenvoudig verhoogd worden, makkelijk demonteerbaar voor onderhoud
nadelen: beperkt volume, veel oppervlakte nodig
multitubulaire warmtewisselaar = shell-and-tube
meerdere kleinere buizen in een grote buis
stroom bij warmtewisseling
- gelijkstroom: veel energieverlies
2. tegenstroom: betere effiëntie
eneregy exchange
dit kan max 50% bedragen, hierna is er geen drijvende kracht meer
koelmachine/warmtepomp (warm naar koud)
4 onderdelen:
1. verdamper: koelvloeistof omgezet naar gasfase en onttrekt warmte uit de koelkamer
- compressor: gas wordt samengedrukt waardoor T stijgt tot T die hoger is dan deze vd
omgeving - condensor: opgewarmde gas wordt in deze 2e warmtewisselaar omgezet naar
vloeistoffase waarbij warmte aan de omgeving wordt afgestaan - expansievat: via een expansieventiel ondergaat de vloeistof tenslotte een expansie
waardoor druk en temperatuur afnemen en de kringloop zich kan herhalen
mengen
samenvoegen en zo gelijkmatig mogelijk in elkaar verdelen van deeltjes van 2 of meer
verschillende stoffen of fasen om een zo hoog mogelijke mate of benadering van homogeniteit te bekomen
homgeen mengsel
wordt spontaan gevormd maar waarbij extra convectie het proces kan versnellen
heterogeen mengsel
heeft de spontante neiging om te ontmengena
waarom mengen?
- bevorderen van een chemische reactie of het versnellen vd. massa en/of warmteoverdracht
tussen fasen/stoffen tijdens en door het mengen - bekomen van een zo homogeen mogelijk eindproduct
hoe mengen?
mbv vrije of gedwongen convectie
2 gassen mengen
zeer makkelijk
1. gas injecteren in ander gas, kan sneller door voor meer turbulentie te zorgen
gas en vloeistof mengen
zelden een doel op zich, maar een hulpmiddel bij het verwezenlijken van andere chemische reacties (uitzondering: voedingsindustrie)
vlooeirstof in gas dispersie
creëren van een groot vloeistofoppervlak door het verstuiven of vernevelen van kleine vloeistofdruppels in een groter gasvolume
toepassingen: verspreiden van pesticiden, verstuiven van water in stoom (om stoom a te koelen)
gas in vloeistof dispersie
gas in vloeistof sturen door het met een roerder te mengen, er wordt naar gestreefd om zo klein mogelike gasbellen te vormen die zo goed mogelijk verspreid zijn
toepassingen: dispergeren van lucht/stoom in vloeistof (verwarmen van vloeistof of afvalwaterzuivering)
gas en vaste stof mengen
dez mengin staat centraal bij 2 eenheidsoperaties:
- fluïdzatie
- pneumatisch transport
fluïdzatie
stromen van gas in een opwaartse richting doorgeen een kolom van vast materiaal, door de gassnelheid op te voeren zal het gas wrijven met het materiaal en ontstaat er een drukverschil. Door de gassnelheid nog meer op te voeren ontstaat er een poeder, met gasbelletjes erin. Door de gassnelheid nog meer op te voeren wordt een situatie van pneumatish transport bereikt
2 vloeistoffen mengen
gebruik van onvectiestromingen van natuurlijke of kunstmatige aard, men dient rekening te houen met de oplosbaarheid en de viscositeit van de stof bij het kiezen van apparatuur
vloeistof en vaste stof mengen
mengsel wordt bepaald door: verhouding van de componenten, oplosbaarheid en viscositeit
het mengen zelf wordt verwezenlijkt dmv verstuiven of zware meng- en kneedmachines
2 vaste stoffen mengen
men dient rekening te houden met: deeltjesgrootte, deeltjesgrootteverdeling, dichtheid, vorm en aard van het oppervlak, vochtgehalte en de stromingseigenschappen
mengen zelf wordt verweznelikt dmv:
- samenvloeien van verschillende pneumatische transportleidingen
- simultaan ledigen van silo’s
- toedienen van meerdere stoffen aan gefluïdizeerd bed/granitairmateriaal (zie eerder)
- mengtrommels
- verticale of horizontale mengers
scheidingsprocessen doel
voedingsstromen (uitgangsproducten) opsplitsen in meerdere afzonderlijke gewenstste deelstromen (eindproducten) met als doel: opzuiveren en/of waardevolle deeltjes afscheiden
5 algemene mechanismen bij scheidingsprocessen
- scheiding door fasecreatie
- scheiding door fasetoedoening
- scheiding via een barriëre
- scheiding door toediening van vastedeeltjes
- scheiding door externe krachtveld
mechanisch-fysische scheidingsprocessen
wordt vooral gebruikt bij heterogene mengsels
Mechanisch-fysische scheiden bij vaste stoffen
er zijn verschillende manieren op bassis van verschillende eigenschappen van het materiaal:
- deeltjesgrootte
- vochtigheid
- elektrisch-magnetische eigenschappen
zeven (deeltjesgrootte)
- eenvoudig en goedkoop
- gebruikt gravitaire kracht
- we spreken van triëren bij grote deeltjes
apparatuur bij zeven
- trommelzeef
- horizontaal bewegende vlakke zeef
- verticaal bewegende vlakke zeef
flotatie (vochtigheid)
De te scheiden vaste stofdeeltjes worden in een waterige slurry gebracht waarna luchtbellen doorheen deze slurry geblazen worden. de hydrofiele deeltjes blijven in de waterfase, de hydrofobe deeltjes gaan via luchtbelletjes opstijgen en een een afscheidbaar schuim vormen
magnetische scheiding
vb: metaal is magnetisch en zal worden aangetrokken door de magneet
elektrostatische scheiding
De geleidende deeltjes zijn neutraal geworden en worden door conductief materiaal
aangetrokken. De niet-geleidende blijven aan de band plakken en worden afgeschrapt door de schraper
Mechanisch-fysische scheiden bij vaste stoffen en fluida
manier van scheiden hangt ook af van eigenschappen van het materiaal
filtratie (deeltjesgrootte)
gebruik van een filtermedium dat de deeljtes (retentaat) tegenhoudt maar het fluida (fitraat doorlaat, de drijvende kracht hangt af van het drukverschil, de weerstand hangt af van het soort filter, aard, viscositeit en grootte van de stof
soorten filtratie afhankelijk van deeltjesgrootte
- conventionele filtratie: 10μm-1mm
- microfiltratie: 0,1-10 μm
- ultrafiltratie: 10-100 μm
- nanofiltratie: 10-100nm
- hyperfiltratie: 0,1-1nm
soorten filtratie naargelang procsvoering
- zeeffiltratie: voor zeer kleine deeltje mbv een memebraam (zie p62 sv voor voorbeeld (!))
- dieptefiltratie: voor grotere deeltjes mbv losgestapeld materiaal over een diepte
- koekfiltratie: werking van filtermedium wordt overgenomen door een filterkoek
filteren met gravitaire druk
het meest bekend voorbeeld hier is de zandfilter, bestaande uit een cilindrische tank voorzien van een zeefbodem waarop respectievelijk lagen grof grind en zand worden aangebracht. Na verloop van tijd wordt de bovenlaag helemaal ondoordringbaar, waardoor het drukverschil verdwijnt (en dus de drijvende kracht) waarna de filter gereinigd moet worden door het zuiver water in tegengestelde richting te laten stromen
filteren met overdruk
- platenfilters
- filterpersen
- zakkenfilters
filteren met onderdruk
= vacuümfilters: geschikt voor sterk samendrukbare vaste stoffen te filtreren
zie afb voor trommelfilter
filteren met cetrifugale druk
verschillende mogelijkheden naargelang het te verwerken volume, eigenschappen van het mengseln kostprijs etc
bezinking
= sedimentatie op basis van deeltjesgrootte en dichtheid
er moet een dichtheidsverschil zijn tussen de deeltjes en de vloeistof (bij filtratie niet)
drijvende kracht = verschil tussen neerwaartse zwaartekracht van het deeltje en de opwaartse archimedeskracht/drijfkracht
ΔF = Fz - Fa = (pv - pf) . g . V (n)
pv = pvaste deeltje pf = pfluidum
apparatuur en snelheid bezinking
afhankelijk van:
- deeltjesgrootte
- dichtheidsverschil
- viscositeit
- gewneste graad van sedimentatie
centrifugatie
mbv centrifugale kracht om deeltjes te scheiden van vloeistoffen of gassen, mengsel wordt in een roterend vat omgebracht waarin het rondvliegt
Fc = (m . vc²)/r (N)
Fc = centrifugale kracht m = massa van deeltje vc = omtreksnelheid r = afstand van as tot deeltje
vc = Ω . r = 2 . π . N . r (m.s^-1)
Ω = hoeksnelheid N = aantal toeren per seconden
soorten centrifugatie
- dichtewand centrifugatie
2. filtreercentrifugatie
cyclonen
om deeltjes af te scheiden van een gas, hier wordt de Fc geleverd door het gas zelf, dit kan via onder (ventilator zuigt het gas aan) of overdruk (gas wordt er in geperst)
toepassing: lucht reinigen
hydrocycloon
idem bij cycloon maar met vloeistof
fysisch-chemische scheidingsprocessen
zeer ruime toepassing vooral bij homogene mengsels
drogen
verwijdederen van relatief kleine hoeveelheden water uit her product
doel: product in meer gewenste conditie brengen, stabiliteit en/of houdbaarheid verlengen
drogen met verwarmde lucht
warmteoverdracht gebeurt via convectie
drogen door contact met een verwarmd oppervlak
warmteoverdracht via conductie
drogen door toeding van stralingswarmte
warmteoverdracht door straling
vriesdrogen
water in product wordt eerst bevroren en afgekoeld tot een temperatuur onder het vriespunt; daarna wordt, door de druk te verlagen, het ijs gesublimeerd tot waterdamp
verdampen van water in een warme onverzadigde luchtstroom
vorm van convectie en meest gebruikte manier om te drogen. het is een combinatie van massa transfer en een warmteoverdracht, de drijvende kracht bij de massatrasfer is het verschil in dampdruk. de drijvende kracht bij de warmteoverdracht is het temperatuursverschil tussen de lucht en het te drogen product
het drogen kan versneld worden door de DK te verhogen = temperatuur verhogen
pf de weerstand te verlagen = invoeren van convectie of turbelentie
verzadigde lucht
hier is de relatieve vochtigheid = 100%
relatieve vochtigheid
verhouding van de dampdruk tot de verzadigde dampdruk bij een bepaalde temeperatuur en wordt weergegeven in procent, het is een maatstaf voor de graad van verzadiging bij lucht
absolute vochtigheid
= waterdampconcetratie = massa waterdamp aanwezig mer volume-eenheid lucht
soorten drogers
- kamer droger
- tunneldroger
- trommeldroger
- sproeidroger (voor niet viskeuze stoffen, het wordt in kleine deeltjes in de warme lucht gesproeid en valt zo als peoder op de grond, dit gaat zeer snel)
indamping/evaporatie
concentreren van een oplossing door het wegkoken van het oplosmiddel (solvent), het kookpunt wordt hier bereikt wanneer de verzadigde dampdruk gelijk is aan de totaaldruk boven het vloeistof. bij dit mag maar 1 van de stoffen vluchtig zijn
doel: opzuiveren, stof terugwinnen, bekomen van meer geconcentreerde oplossing
dampsnelheid wordt bepaald door: snelheid van warmteoverdracht en massatransfer van damp uit vloeistof
indampingsapparatuur
apparatuur gebruikt bij indamping, hier kan de warmte (meestal stoom of warm gas) worden ingevoerd via verschillende soorten warmtewisselaars
- open-pan indamper
- indamper met gedwongen circulatie
- korte-buis indampers
- plaatindampers
meetrapsindampers
meerdere indampers in serie aan elkaar geschakeld
kristallisatie vanuit een vloeibare fase
hier moet de oplossing eerst onverzadigt worden gemaakt
kristallisatie
proces waarbij vaste kristallijne deeltjes worden gevromd uit een homogenefase
kristallisatie vanuit een smelt
smelt = vloeibare hetemassa waaruit door stolling een vast kristallijn materiaal kan ontstaan
kristallisatie vanuit een homogene dampfase
hier moet de damp fase eerst onverzadigd worden gemaakt door afkoeling
rekristallisatie
vanuit een andere kristallijn materiaal opnieuw kristalliseren
destillatie
= verschillende verbindingen in een vloeibare oplossing scheiden op basis van verschil in vluchtigheid, maw: de stof die het eerst begint te koken is vluchtiger en kan dan gescheiden worden
doel: zuiveren, isoleren
verschil indamping en destillatie
bij destillatie zijn beide stoffen in het mengsel min of meer vluvhtig
bij destillatie, zukken beide stoffen overgaan tot een dampfase, weliswaar in een andere volgorde
enkelvoudige destillatie
de verdeling van de verbindingen tussen de vloeistoffase en de dampfase gebeurt in 1 stap. Dit 2 manieren: evenwichts- of differentiële destillatie
nadeel: kan alleen gebruikt worden als het verschil in kookpunt minstens 50 °C is, dit omdat vanaf er een druppel wordt opgevangen de samenstelling van het mengsel wijzigt
evenwichts destillatie
vloeistof wordt opgewarmd en onder druk gezet -> vloeistof verdampt en het meest vluchtige stof wordt adgescheiden
differentiële destillatie
van zordra damp gevormd wordt, wordt deze ontrokken naar een condensor, waar het opgevangen wordt
fractionele destillatie
hierbij wordt het gevormde destillaat opnieuw verdampt (hogere efficiëntie), dit is nodig wanneer het verschil in kookpunten dicht bij elkaar liggen
fractionele destillatie werking
tussen koeler en destilleerkolf een fractioneerkolom plaatsen = een buis gevuld met glazen bolletjes, staafjes of platen (= pakking). de opstijgende damp gaat vervolgens door deze buis, hierdoor is er contact tussen de opstijgende gasstroom en de neerstijgende vloeistofstroom op de pakking, waarbij moleculen kunnen worden uitgewisseld. enkel de moleculen van de stof met het laagste kookpunt kunnen in deze tegenstroom hogerop komen. de efficiëntie hangt af van het aantal theoretische ‘schotels’ dat het vloeistof tegenkomt op weg naar boven (hoe meer, hoe efficiënter). In de praktijk voegen we het mengsel pas in het midden van de kolom toe om continu rectrificatie te verkrijgen
absorptie
gasmengsel wordt in contact gebracht met een vloeistof waarin selectief 1 of meerdere verbindingen oplossen via gas/vloeistof massatransfer
doel: afscheiden waardevolle prod, zuiveren, verwijderen schadelijke verbindingen, recuperen waardevolle bindingen etc
solute/absorbaat
verbindingen bij absoptie die overgaan naar de vloeistoffase
absorptie werking
absorptie gaat sneller als: groter contactoppervlak, groter concentratieverschil en grotere affiniteit van het solvent
en trager als: lagere temperatuur en hogere druk
het ideale absorbent heeft een hoge oplosbaarheid (voor de solute), een lage vluchtigheid en een lage viscositeit
fysische absorptie
er treedt enkel een massatransfer op (valt stil bij thermodynamisch evenwicht)
chemische absorptie
absorptie gaat gepaard met een chemische reactie in de vloeistoffase, chemische reacties kunnen de absorptie versnellen, de absorptiecapaciteit van het solvent verhogen, de seelectiviteit vergroten en chemisch gevaarlijke stoffen omzetten in meer veilige stoffen
stripping/desorptie
= omgekeerde van absorptie: heir bevat een vloeistofmengsel verbindingen die via een massatrasfer overgaan naar een gasfase
industriële toepassing absorptie en stripping
meestal in kolommen, waarbij een intense menging en een groot contactoppervlak tussen de gas en vloeistoffase nagestreefd wordt. de stroming van die twee gebeurt meestal tegenstroom in de kolom
platenkolom
geperforeerde platen worden boven elkaar geplaatst op regelmatige hoogte in een kolomer zijn 3 types:
- zeefplaten
- ventielplaten
- borrelplaten
zeefplaten
opstijgende damp gaat via de gaatjes omhoog en bellemmert de vloeistof om via diezelfde gaatjes omlaag te stromen
ventielplaten
op de openingen wordt een ventiel geplaatst, voordeel is hier dat het doorlaatoppervlak variabel is en gestuurd wordt door het gasdebiet dat voldoende moet zijn om te verhinderen dat de vloeistof via het ventiel naar beneden stroomt
borrelplaten
ronde openingen met opstaande rand, op deze rand zitten klokles met tandjes aan de onderzijde. de damp passeert het vloeistof via deze openingen en de vloeistof kan alleen via overlooppijpen naar de onderliggende plaat stromen
gepakte kolom
vloeistof loopt langs het pakking materiaal door zwaartekracht, van het ene pakkingelement naar het andere, naar beneden
er zijn 2 soorten gepakte kolom (hangt af van drukval, massatransfer, kostprijs en materiaaleigenschappen):
- random pakking
- gestructureerde pakking
sproeitoren
bij lage drukval, hoog gasdebiet, makkelijk oplosbare stoffen enkorte verblijftijd (hoge K-waarde)
bubbelkolom
bij hoge drukval, laag gasdebiet, moeilijk oplosbare stoffen en lange verblijftijd (lage K-waarde)
partitiecoëfficiënt
= evenwichtsverdelingscoëffiënt = K-waarde
K = Cvloeistof/Cgas
hoe hoger K, hoe sterker de overgang naar vloeistoffase
centrifugale contractor
werkt met onderdruk
gecombineerd absorptie-stripping proces
vb koolstofdioxide verwijderen uit gassen
extractie
componenten worden uit een voedingsmateriaal via massatrasfer overgebracht naar een vloeistoffase (solvent)
doel: isoleren waardevol product, zuivering
extract
stof waarin de te extraheren product (solute) bevindt
rafinnaat
de solute-verarmde stof
extractie in de industrie
extractie is zowel kapitaal als arbeidintensief dus wordt de voorkeur gegeven aan andere technieken zoals destillatie behalve in volgende situaties:
- verwijderen van hoogkokende verbindingen die in lage concentraties aanwezig zijn
- recovery van hitte-gevoelige materialen
- scheiden van stoffen die weinig verschillen in vluchtigheid, maar wel in oplosbaarheid
- verwijderen van anorganische stoffen uit organische of waterige oplossingen
keuze solvent bij extractie
- grote affiniteit met de te extraherende stof
- overige bestanddelen van hetvoedingsmateriaal mogen iet oplosbaar zijn met het solvent
- niet toxisch
- goedkoop
- geen chemische activiteit met af te scheiden stof
- verschillende dichtheid met het voedingsmateriaal
- laag kookpunt (voor recuperatie)
enkelvoudige extractie
het te extraheren mengsel wordt eenmaal met het oplosmiddel in contact gebracht totdat het evenwicht zich instelt, daarna worden extract en raffinaat gescheiden, nadeel: laag rendement
meervoudige extractie
kan via:
- gelijkstroom: niet veel nut
- dwarsstroom: efficiëntie neemt toe
- tegenstroom: efficiëntie neemt nog meer toe
vloeistof-vloeistof extractie uitleg + 2 types apparatuur
bestaat uit een terniar systeem (zie afb), waarbij het voedingsmateriaal bestaat uit 2 homogene mengsels (carrier + solute) daar naast er ook nog het solvent. carrier en het solvent zijn slechts gedeeltelijk oplosbaar in elkaar (=heterogeen). vaak is 1 extractie stap niet voldoende en gebruikt men meerdere extractiestappen geplaatst in tegenstroom. Een hoge graad van turbelentie en een groot contact oppervlak = snellere massatransfer. Na de evenwichtsinstelling moeten de vloeistoffen van elkaar gescheiden worden. Scheiding van twee vloeistoffasen verloopt moeilijk en traag.
Twee types solventextractie apparatuur:
1. mechanische agitatie met behulp van roerders
2. mening door stromingsprofiel van beide
vloei-vloei extractie (apparatuur)
- mixed settlers
- sproeikolommen
- gepakte kolommen
- platenkolom
- kolommen met mechanische agitatie
mixed settler (vl/vl extractie)
vloeistoffen worden gemengd en vervolgens gescheiden door bezinking
sproeikolommen (vl/vl extractie)
mengen en scheiden gebeurt doorlopend en gelijktijdig
1e kolom: de lichte fase laten opstijgen als druppeltjes (hoe kleiner deze zijn, hoe meer contact er is) en de zware fase van boven naar beneden.
2e kolom: zware vloeistof als druppeltjes naar beneden en de lichte fase als bulk naar boven.
voordeel: zeer lage kostprijs
nadeel: back washing, exiale opmenging => reduceert effect
gepakte kolommen (vl/vl extractie)
door pakkingen aan te brengen wordt axiale dispersie gereduceerd
de pakking bevordert de massatransfer ook door de grotere druppels te breken. (gelijkaardig pakkingsmateriaal als bij absorptie en destillatie)
platenkolom (vl/vl extractie)
plaatsen van zeefplaten in de kolom reduceert axiale dispersie
kolommen met mechanische agitatie (vl/vl extractie)
Als de oppervlakte en/of de viscositeit hoog is en/of het dichtheidsverschil beperkt is, dan is zwaartekracht niet genoeg voor een goede dispersie (verstrooiing) en menging te bekomen. Hier wordt er een agitatie (opwinding) met meestal behulp van een axiaal roterende as. De mengzones zijn afgewisseld van bezinkingszones in de kolom + extra menging: bevorderen massatransfer.
vast-vloeistof extractie
= leaching: er wordt een vaste matrix in contact gebracht met een geschikt solvent, waarna diffusie plaatsvindt van de af te scheiden verbinding vanuit de vaste matrix naar het solvent waarin deze verbindingen oplossen.
(toep: suiker extrageren uit suikerbieten)
wassen: wanneer het gaat om het afzonderen van onzuiverheden of ongewenste verbinding uit de vaste stof.
Om het massatransfer sneller te laten verlopen kan men een aantal voorbereidingsstappen doorlopen (snijden, pletten, drogen,..)
belangrijke parameters bij vast-vloeistof extractie
- keuze solvent
- temperatuur
- grootte van de deeltjes
- graad van mechanische agitatie
verschillende uitvoeringsmogelijkheden bij vast/vloeistof extractie
- doorlaatbare massa: solvent door een vast bed van de massa gepercoleerd
- meerdere extractie stappen: extractiebatterij: waarbij meerdere extractoren in serie
geschakeld worden, en meestal in een soort tegenstroomconfiguratie
sorptie operaties
waarbij componenten (solutes) vanuit een fluïdum (gas/vloeistof) selectief overgebracht worden naar een onoplosbaar (vast) medium
vb. adsorptie, ionenuitwisseling, chromatografie
adsorptie
atomen, moleculen of ionen in een gas of vloeistof diffunderen naar het oppervlak
van een vast materiaal, waar zij gebonden worden of vast gehouden worden door zwakke
fysische intermoleculaire krachten ( via selectieve massatransfer bepaalde stoffen o.i.v.
intermoleculaire krachten laten plakken aan het oppervlak van een vaste stof ( adsorbens)
adsorptie kan sneller door:
- Lage temperatuur en hogedruk
- Poreuze partikels met kleine diameter
toep: zuiveren van gas/vloeistof (kleur/geur), drogen van gas/vloeidtof
desorptie
pmgekeerde adsorptie
ionenuitwisseling
ionen met positieve en negatieve lading gaat in een meestal waterige vloeistofoplossing gelijkaardige ionen met dezelfde lading verdringen van het vast oppervlak van een ionenuitwisselaar. ( kan hergebruikt worden)
men moet rekening houden met de lading, grootte van de ionene en de chemische verbinding
chromatografie
algemene term voor scheidingstechnieken die steunen op de verdeling van te scheiden verbindingen tussen twee niet mengbare fasen , namelijk een mobiele ( bewegende) fase die een gas of vloeistof kan zijn en een stationaire( niet bewegende) sorbent fase. De sorbent fase kan een vaste stof, en zeer viskeuze vloeistof of een ionenuitwisselaar zijn.
Als er in een chromatografisch systeem een oplossing wordt gebracht die verschillende verbindingen bevat, zullen die mee met de mobiele fase door het systeem bewegen. De verbindingen komen ook in contact met de stationaire fase waarmee ze kunnen inargeren; tijdens de interactie
chromatografie
algemene term voor scheidingstechnieken die steunen op de verdeling van te scheiden verbindingen tussen twee niet mengbare fasen , namelijk een mobiele ( bewegende) fase die een gas of vloeistof kan zijn en een stationaire( niet bewegende) sorbent fase. De sorbent fase kan een vaste stof, en zeer viskeuze vloeistof of een ionenuitwisselaar zijn.
Als er in een chromatografisch systeem een oplossing wordt gebracht die verschillende verbindingen bevat, zullen die mee met de mobiele fase door het systeem bewegen. De verbindingen komen ook in contact met de stationaire fase waarmee ze kunnen inargeren; tijdens de interactie
sorbentie voorwaarden
- lage kostprijs
- Hoge selectiviteit en hoge capaciteit
- Eigenschappen die een snelle sorptie toelaten
- Hoge chemische, thermische en mechanische stabiliteit
- Hoge weerstand tegen fouling
- Goede mogelijkheden om geregenereerd te worden
organische sorbentia
belangrijkste sorbens hierbij is actief kool.
anorganische sorbentia
veelgebruikte sorbentia in deze klasse zijn:
- silicagel: grote affiniteit voor water en andere eerder basische polaire verbindingen
- aluminium oxide: wordt voornamelijk gebruikt voor het afscheiden van zure polaire
verbindingen en voor het drogen van gassen
- moleculaire zeef zeolieten: vertonen een anorganische kristallijne polymeerstructuur van
aluminiumsilicaten met alkali of aardalkali elementen. deze worden geactiveerd door water
te verwijderen en door te verwarmen/vacuümbehandeling toe te passen
synthetische organische polymeren
komen meestal als parels(d= 0,5mm) voor, bestaande uit microsferen(d= ongeveer 10 -4mm)
vb: polymerisatieproducten van styreen en divinylbenzeen, die gebruikt worden om apolaire verbindingen uit water te halen. Ook ionenuitwisselaars bestaan meestal uit deze producten maar hier worden functionele groepen aangebracht die een lading bevatten.
slurry contactor/ contactfiltratie
het sorbens wordt als poeder toegediend in de vloeistof en vormt een slurry. Na de behandeling wordt het sorbens gescheiden door sedimentatie of filtratie. Het wordt niet geregenereerd omdat het vaak gebruikt wordt om hoogmoleculaire verbindingen te weerhouden die moeilijk te desorberen zijn.
cyclische batch operatie
kan met een vast bed(fixed bed) of een wervel bed(fluidized bed). als de voeding een vloeistof is wordt het ook wel percolatie genoemd. De grootte van de partikels bepaalt
de drukval:
- kleine contactoren: adsorbent kan er na adsorptie worden uitgehaald en thermisch
gereactiveerd andere gevallen: regeneratie gebeurt in situ. Kan door het bed op te - —–^
- warmen(met warmtewisselaars in het bed of warm gas) of door een lagere druk te
hanteren tijdens de desorptiestap.
Nadeel: niet continu
moving bed operatie
de druk en temperatuur binnen 1 contactor veranderen niet; het is een adsorber of een regenerator, niet beiden. Het sorbens moet alterneder doorschuiven van adsorber naar regenerator. Technisch is dit een moeilijk systeem, een betere uitvoering is de simultated moving bed operatie(het bed beweegt niet, maar wel de toe- en afvoer stromen).
oervormen
vertrekken van een niet gedefinieerde vorm naar een primaire vormgeving
omvormen
verder vormgeven van een primaire vormgeving (secundaire vormgeving)
