HANDOUT - Lekcija 01 - Klasifikacija Difuzionih Operacija i Aparata

1.2 ОСНОВНЕ ТЕХНОЛОШКЕ ОПЕРАЦИЈЕ Технологија је делатност која се бави поступцима прераде (трансформације) полазног материјала (сировине) у финални производ. Поступци прераде - технолошки процеси подразумевају, у општем случају, промене облика, физичких и хемијских својстава полазног материјала, при чему код конкретних поступака прераде не морају да буду заступљене све наведене промене. Процес прераде сировина се, у општем случају, састоји од низа основних технолошких операција. Основне технолошке операције који се изучавају у области процесне технике су: • механичке операције; • хидромеханичке операције; • топлотне операције; • дифузионе операције; • хемијске операције; • биохемијске операције.

Сваки од ових типова операција се, у оквиру процесног инжењерства, проучава као посебна дисциплина [1.10], [1.11], [1.12], [1.13]. Механичке операције обухватају поступке прераде чврстог материјала са пратећим и припремним поступцима као што су транспорт и дозирање. Најчешће механичке операције су: уситњавање, дробљење, млевење, сортирање, класификација, просејавање, брикетирање, мешање чврстог материјала, мешење тестастог материјала, итд. Типични примери механичких операција су: млевење и просејавање кречњака, клинкера и цемента при производњи цемента, млевење и просејавање руда у индустрији метала, механичко мешање различитих гранулисаних пластичних маса ради добијања одговарајућих сировина за даљу прераду, у енергетици припрема чврстих горива за сагоревање било да се ради о угљу који сагорева у слоју (када се комади угља дробе на одређену гранулацију) или у лету (када се угаљ меље у ситне честице). Хидромеханичке операције обухватају поступке прераде гасова (пара) и течности са и без присуства чврсте фазе (честица чврстог материјала), као што су: мешање течности и гасова (пара), таложење, филтрирање, центрифугирање, хидродинамичка класификација, отпрашивање, итд. Типични примери хидромеханичких операција су: одвајање чврстих честица и течности у уљним скруберима са коагулатором за укрупњавање капљица течне фазе и њихово одвајање од гаса код припреме природног гаса за сагоревање, издвајање чврстих честица из продуката сагоревања у циклонима, фино пречишћавање ваздуха од чврстих честица за потребе операционих сала у медицини и производних хала у фармацеутској и електронској индустрији, таложење нечистоћа из сирове нафте у нафтној индустрији, итд. Топлотне операције подразумевају процесе везане са разменом топлоте: загревање, хлађење, испаравање, кондензација, топљење, очвршћавање, итд. Типични примери топлотних операција су: загревање мазута ради бољег распршивања при сагоревању, кондензација паре и испаравање расхладног флуида у расхладним процесима, загревање сировина за процес дестилације, загревање, пастеризација и хлађење млека, итд.

2 Дифузионе операције и апарати Дифузионе операције су операције транспорта супстанције из једне у другу фазу. То су процеси које карактерише промена састава мешавина помоћу поступака који у себе најчешће не укључују хемијске реакције. У општем случају, основни циљ ових операција је постизање жељеног састава вишекомпонентних мешавина, што подразумева издвајање појединих компоненти из мешавине или довођење појединих компоненти у мешавину. Треба имати у виду да се при поступцима раздвајања мешавина на компоненте, најчешће не добијају потпуно чисте компоненте, већ се оне издвајају са одређеном количином примеса (макар и у траговима). Основне хемијске операције су пре свега заступљене у хемијској индустрији као одређени типови хемијских трансформација материјала (нпр. оксидација, редукција, сулфонација, хлоринација, нитрација, изомеризација, итд.). Биохемијске операције су операција код којих ферменти или живи организми (микроорганизми или микроби) својом активношћу доводе до промена на радном материјалу (нпр. ферментација у прехрамбеној индустрији, филтрација отпадних вода и гасова помоћу биофилтера, итд.).

1.3 КЛАСИФИКАЦИЈА ДИФУЗИОНИХ ОПЕРАЦИЈА Постоји неколико основних класификација дифузионих операција од којих је најзначајнија подела према врсти контакта која се остварује између фаза на: • операције са непосреданим контактом фаза које се међусобно не мешају; • мембранске дифузионе процесе.

1.3.1 Дифузионе операције са непосредним контактом фаза које се међусобно не мешају

Класификација дифузионих операција са непосредним контактом фаза које се међусобно не мешају се врши према: • агрегатном стању фаза које ступају у контакт; • интензитету размене топлоте; • начину добијања финалног производа (директно или индиректно).

Класификација дифузионих операција са непосредним контактом фаза које се међусобно не мешају према агрегатном стању фаза које ступају у контакт

Код ових операција најчешће две фазе ступају у контакт, а пошто постоје три агрегатна стања (чврсто, течно и гасовито) може се закључити да постоји шест могућих случајева размене супстанције и топлоте у двофазним вишекомпонентним системима. Ова група дифузионих операција је највише заступљена у пракси, па се може рећи да је од великог значаја у процесној техници. Две врсте операција, у смислу ове класификације, нема потребе детаљније разматрати: • операције у систему ГАС-ГАС због потпуног мешања гасова; • операције у систему ЧВРСТО-ЧВРСТО су теоријски могуће, али пошто се

одвијају веома споро оне у процесној индустрији немају практичну примену.

Класификација дифузионих операција и апарата 3 ГАС (ПАРА) - ТЕЧНОСТ Ово је један од најчешћих случајева фазног контакта који се сусреће у области дифузионих операција у процесној индустрији.

Дестилација је дифузиона операција у систему пара-течност при чему су, најчешће, све компоненте расподељене у обе фазе. Транспорт супстанције из једне у другу фазу је праћен разменом топлоте између фаза, при чему се обавља делимично испаравање лакше испарљивих компоненти из течности уз истовремену кондензацију теже испарљивих компоненти из паре. Посебан случај представља дестилациони поступак под називом ректификација, који се остварује путем узајамног вишестепеног контакта између фаза, чије је протицање кроз апарат супротносмерно. Ова технолошка операција се примењује у индустрији прераде нафте (издвајање различитих компоненти из сирове нафте), при производњи алкохолних пића (дестилише се ферментисана воћна сировина или меласа), као и у енергетици за добијање етанолских горива (мешавина етанола и бензина која се користи као погонско гориво за моторе са унутрашњим сагоревањем). Апсорпција је дифузиона операција која се обавља у систему гас - течност при чему се поједине компоненте из гасне фазе транспортују у течност. У овом случају не морају обавезно све компоненте бити присутне у обе фазе. Апсорпција се примењује за издвајање непожељних компоненти из гаса коксних пећи где се у две фазе помоћу воде одстрањује амонијак, а помоћу уља се издвајају бензол и толуол. Десорпција је процес транспорта супстанције (једне или више компонената) из течне у гасовиту фазу при чему се све компоненте не морају обавезно налазити присутне у обе фазе. У највећем броју технолошких процеса операција десорпција прати апсорпцију, ради регенерације течне фазе (апсорбента), који се у том случају може циклично користити. Бензол и толуол се из уља (после апсорпције из гаса коксних пећи) издвајају десорпцијом помоћу водене паре. Непожељни растворени гасови из бунарске воде (метан, итд.) се десорпцијом помоћу ваздуха издвајају ради добијања квалитетне пијаће воде. Влажење и сушење гаса се дешава при непосредном контакту мешавине гаса и паре са течношћу може доћи до испаравања течности (влажење гаса) или до кондензације паре из гаса (сушење гаса). То је дифузиона операција која је праћена ефектом размене топлоте. Сушење мешавине гаса и паре се може остварити и без непосредног контакта са течношћу уколико је гасна мешавина у непосредном контакту са хладном површином чија је температура нижа од температуре тачке росе посматране мешавине. Ова технолошка операција се примењује често у климатизационој техници за регулисање релативне влажности ваздуха који се кондиционира. Упаравање (кување, укувавање) је технолошка операција која се одвија у систему пара – течност, при чему је течност раствор са неиспарљивим растворком. При овом третману течног раствора долази до испаравања растварача и његовог транспорта у парну фазу. Овај поступак је праћен разменом топлоте.

4 Дифузионе операције и апарати Упаравање се примењује у многим областима процесне индустрије, нпр. у индустрији прераде шећера где се врши концентрисање шећерног сока пре његове кристализације, приликом добијања воћних сокова, концентрисања млека итд. ГАС (ПАРА) - ЧВРСТА ФАЗА Адсорпција је операција транспорта супстанције из гасне у чврсту фазу, при чему све компоненте не морају бити расподељене у обе фазе. Адсорпција је нашла широку примену у процесима пречишћавања природног гаса: издвајање влаге, издвајање SH2 , 2CO и осталих непожељних компоненти помоћу молекуларних сита. Десорпција је операција транспорта супстанције (једне или више компонената) из чврсте у гасовиту фазу. Најчешће се користи при регенерацији адсорбента на повишеној температури (одвија се уз довођење топлоте). Сушење (дехидрација) је поступак при коме се течна фаза транспортује кроз чврсту фазу, а када дође до граничне површине течности испарава у гас. Сушење се обавља уз размену топлоте са гасовитом фазом. Примењује се у пољопривреди и прехрамбеној индустрији за сушење житарица, воћа и поврћа, у индустрији грађевинског материјала (циглане, постројења за производњу керамичког материјала). Сублимација је дифузиона операција транспорта супстанције из чврсте фазе у гасовиту фазу. Данас се примењује у области фармацеутске индустрије и прераде хране (лиофилизација) као поступак сушења при смрзавању на ниским притисцима када смрзнута вода (лед) из чврсте фазе испарава-сублимише. ТЕЧНОСТ - ТЕЧНОСТ Екстракција је операција транспорта супстанције (једне или више компонената) из једне течне у другу течну фазу, при чему све компоненте не морају обавезно бити расподељене између фаза. У нафтној индустрији се помоћу каустичне соде ( NaOH ) издвајају сумпорна једињења из различитих нафтних фракција, из дизел уља се издвајају једињења која садрже сумпор помоћу фурфурола ради повећања цетанског броја. ТЕЧНОСТ - ЧВРСТА ФАЗА Кристализација је операција издвајања у чврстом агрегатном стању растворка из течне мешавине. То се постиже укувавањем (упаравањем) засићеног течног раствора са неиспарљивим растворком, али се може остварити и хлађењем засићеног течног раствора са неиспарљивим растворком. Кристализација је праћена разменом топлоте раствора са околином (загревање или хлађење раствора). Овај операција се користи у индустрији шећера, када концентрисани шећерни раствор из упаривача иде на кристализацију, а после тога на центрифугирање у циљу добијања кристал шећера. Излуживање је операција селективног растварања појединих компоненти из чврстог раствора у течном растварачу (транспорт супстанције из чврсте фазе у течни растварач).

Класификација дифузионих операција и апарата 5 Користи се у прехрамбеној индустрији (издвајање јестивог уља из сунцокретовог семена помоћу хексана, издвајање шећера из резанаца шећерне репе помоћу загрејане воде) и у енергетици (селективно растварање соли уранијума из уранијумске руде). Адсорпција и јонска измена су дифузионе операција при којима се одвија транспорт супстанције (молекула или јона) из течне у чврсту фазу. Адсорпција се примењује у прехрамбеној индустрији, на пример за одстрањивање боје и нечистоћа из шећерног сирупа који се добија из шећерне трске. Јонска измена се примењује у поступку хемијске припреме воде у циљу њеног омекшавања, када се као адсорбент користе синтетичке смоле.

Класификација дифузионих операција са непосредним контактом фаза које се међусобно не мешају према интензитету размене топлоте

Према интензитету размене топлоте, даља подела дифузионих операција из ове групе се врши на: • изотермске дифузионе операције; • неизотермске дифузионе операције.

Процес транспорта супстанције може бити праћен разменом топлоте између фаза (неизотермске дифузионе операције) или то може бити операција размене супстанције без топлотних ефеката (изотермске дифузионе операције). Треба напоменути да су у принципу све дифузионе операције неизотермске. За проучавање одређене операције, у општем случају, је потребно познавати брзинско, концентрационо и температурско поље. Уколико је ефекат размене топлоте у систему безначајан, односно када је температурско поље практично униформно у систему у коме се процес одвија, сматра се да су такве операције изотермске, што у многоме олакшава поступак прорачуна, а веома мало утиче на његову тачност. У инжењерској пракси се најчешће као изотермске операције третирају апсорпција, адсорпција, јонска измена и екстракција, док су остале дифузионе операције неизотермске.

Класификација дифузионих операција са непосредним контактом фаза које се међусобно не мешају према начину добијања финалног производа

Подела дифузионих операција са непосредним контактом фаза које се међусобно не мешају се може извршити и на: • директне дифузионе операције; • индиректне дифузионе операције.

У директне дифузионе операције спадају поступци добијања две или више фаза (финалних приозвода) помоћу грејања или хлађења једнофазне вишекомпонентне сировине. То су најчешће дестилација, упаравање, кристализација, сублимација и влажење и сушење гаса. Индиректне дифузионе операције су сепарациони поступци добијања финалних производа који се спроводе на тај начин што се сировина доводи у непосредан контакт са додатном супстанцијом, која је неопходна да би се процес обавио (апсорпција, адсорпција, екстракција).

6 Дифузионе операције и апарати У индустријској пракси се предност даје директним операцијама, јер увођење додатних компоненти усложњава процес и поскупљује производњу, јер захтева додатне операције и апарате у којима треба додатну компоненту издвојити. 1.3.2 Мембранске дифузионе операције

Мембранске дифузионе операције се одвијају између фаза раздвојених мембраном, која онемогућава директни контакт и мешање фаза. Кроз мембрану се одвија селективни транспорт супстанције, чиме се одређене компоненте у већој или мањој количини транспортују из једне у другу фазу путем дифузије [1.7]. Након мембранске операције из сировине се добија пермеат и ретентат. Пермеат чине компоненте које су дифундовале кроз мембрану, док је ретентат остатак који није дифундовао.

Мембране се обично израђују у облику равних листова или плоча ( frameplate-and- ), цевчица или капилара ( hollow fiber ) или спирално увијене мембране ( spiral wound ) умрежених влакана [1.14]. Поред природних постоје и мембране од вештачких материјала (најчешће од полимера или керамике, а ређе од стакла или метала). Мембране могу да садрже и додатне структурне елементе (најчешће мрежаста структура од метала) који им дају чврстоћу.

Мембранске дифузионе операције нису у тако масовној примени као дифузионе операције са непосредним контактом фаза које се међусобно не мешају, али данас налазе све ширу примену у различитим гранама људске делатности, пре свега због могућности веома прецизног раздвајања компоненти. Највише се примењују у области производње хране и пића, као и у фармацеутској индустрији.

Погонска сила код мембранских операција је разлика хемијског потенцијала фаза изазвана разликом концентрација или притисака, као и електро потенцијала [1.8]. Класификација мембранских дифузионих операција се врши према агрегатном стању сировине и пермеата, као и према типу мембране, односно механизму издвајања компоненти кроз мембрану. У табели 1.1 је дата класификација мембранских дифузионих операција и набројане су дифузионе операције са непосредним контактом фаза, које могу да се замене мембранском дифузионом операцијом. Уколико се за операцију користе порозне мембране, те операције се обично описују моделом прострујавања кроз поре или моделом дифузије по Кнудсену, док се за хомогене мембране обично користи модел дифузије кроз мембрану [1.16]. Изузетак представља реверзна осмоза код које се користе порозне мембране, али се описује моделом дифузије кроз мембрану због малог пречника пора (0,3÷0,5 nm ) [1.7].

Предности мембранских операција у односу на дифузионе операције са непосредним контактом фаза су: • већа селективност раздвајања компоненти; • могућност примене за системе гас – гас.

Операције осмозе, реверзне осмозе и дијализе могу да се врше искључиво преко мембрана. Главна мана мембранских операција је у томе што је транспорт супстанције углавном мањег интензитета у односу на дифузионе операције са

Класификација дифузионих операција и апарата 7 директним контактом фаза, као и неопходност одржавања мембрана (чишћење од талога, итд.).

Гасна пермеација Код гасне пермеације, гасна мешавина (сировина) се на повишеном притиску

преводи преко површине мембране, која је селективно пропустљива за једну компоненту. Ова операција се користе углавном за раздвајање водоника од азота, аргона и метана у амонијачним постројењима, затим за производњу азота из ваздуха и за издвајање угљен-диоксида и сумпор-водоника из природног гаса.

Табела 1.1 Класификација мембранских дифузионих операција према агрегатном стању сировине и пермеата

Агрегатно стање фаза

Мембранска дифузиона операција

Тип мембране

Замена за дифузиону операцију са непосредним

контактом фаза Сировина Пермеат

гас (пара)

гас (пара)

гасна пермеација

хомогене или порозне -

пермеација паре

хомогене или порозне,

лиофилне сушење гаса

течност гас (пара)

первапорација хомогене, лиофилне дестилација

мембранска дестилација

порозне, лиофобне дестилација

мембранска апсорпција

порозне, лиофобне апсорпција

мембранска десорппција (дегазација)

порозне, лиофобне десорпција

пермеација паре

порозне, лиофобне влажење гаса

течност течност

мембранска екстракција,

перстракција, евапоративна пертракција

хомогене, лиофилне екстракција

осмотска дестилација

порозне, лиофобне упаравање

осмоза лиофилне сушење, дехидрација

реверзна осмоза лиофилне - дијализа -

8 Дифузионе операције и апарати

Первапорација Первапорација је операција при којој се вишекомпонентна течна мешавина

раздваја парцијалним испаравањем кроз густу, непорозну мембрану. У току операције сировина је у директном контакту са једном страном мембране, док се пермеат одводи у виду паре са друге стране мембране. Погонска сила процеса је градијент хемијског потенцијала, који се остварује разликом парцијалних притисака пермеата дуж мембране. Ова разлика парцијалних притисака се остварује снижењем притиска са стране пермеата (кондензација паре пермеата, коришћењем вакум пумпе или струјом инертног гаса са стране пермеата). Због тога первапорација дозвољава раздвајање мешавина код којих су тачке кључања компоненти блиске или азеотропних мешавина. У данашње време се первапорација користи ради дехидрације оганских растварача, нарочито у дехдратацији раствора етанола., а такође и за издвајање растворених органских једињења из воде и за сепарацију органских мешавина.

Мембранска дестилација То је операција која се се одвија слично као первапорација, али се користи

микропорозна лиофобна мембрана. Сепарација се одвија када пара лакше испарљивих компоненти пролази кроз поре мембране помоћу механизма дифузије или прострујавања. Мембранска дестилација се користи за концентрацију разблажених тешко испарљивих киселина, (нпр. сумпорна или фосфорна киселина), за издвајање испарљивих компоненти из водених раствора, а користи се и у комбинацији са класичном ферментацијом шећера за добијање етанола.

Мембранска апсорпција и десорпција (дегазација) Мембранска апсорпција и десорпција (дегазација) се спроводе ради транспорта

одређених гасовитих компоненти у течну фазу или издвајања растворених гасова из течности. Предност мембранских у односу на истоимене операције са непосредним контактом фаза је у томе што се код мембранских операција остварује специфична површина контакта која је за ред величине већа него код класичних процеса, па су димензије мамбранских апарата мање. Поред тога код мембранских операција не постоје ограничења због флуидодинамичких радних режима. Мембранска десорпција се користи за дегазацију хемијски припремљене воде.

Мембранска екстракција (перстракција или евапоративна пертракција) Мембранска екстракција, перстракција и евапоративна пертракција су

синоними за исту операцију. У питању је операција у којој долази до пермеације и екстракције при контакту раствора са струјом секундарског растварача, помоћу кога се врши екстракција. Растворак, који се издваја, испарава и долази у контакт са површином мембране, а затим дифундује кроз поре мембране и кондензује се у течном филму са друге стране мембране. Секундарни растварач (течна фаза у којој се растворак кондензује) је најчешће чиста вода или водени раствор са малом количином растворка. На овај начин се задржавају битна својства компоненте која се транспортује (нпр. мирис, укус, итд.), што представља значајну предност у односу на операције са непосредним контактом фаза. Ова операција је још увек у фази развоја и претпоставља се да ће имати велику примену у прехрамбеној и фармацеутској

Класификација дифузионих операција и апарата 9 индустрији, као и при производњи пића (нпр. производња безалкохолног пива и вина).

Осмотска дестилација Осмотска дестилација, која се назива и изотермска мембранска дестилација, је сепарациони процес код кога се течна мешавина (обично водени раствор) која садржи једну или више испарљивих компоненти доводи у контакт са микропрозном, лиофобном мембраном. Друга страна мембране је изложена секундарном растварачу, односно другој течној фази (најчешће водени раствори NaCl, CaCl2, K2HPO4 или шећера) која је способна да раствори испарљиве компоненте које се транспортују. Ова операција се користи у прехрамбеној индустрији за концентрисање пића и других течних производа, а разматра се и њена погодност за примену у фармацеутској индустрији, за концентрисање водених раствора термолабилних супстанци. Основна предност ове операције је могућност концентрисања раствора до високог степена чистоће при ниским температурама и притисцима .

Осмоза Осмоза је операција код које је порозна мембрана пропустљива само за

растварач, што значи да услед различитих концентрација растварача са две стране мембране долази до селективног транспорта супстанције. Ако се са једне стране мембране налази раствор, а са друге чист растварач, концентрација растварача са стране раствора расте, што се манифестује повишењем притиска са стране раствора. Равнотежно стање се достиже када се изједначе хемијски потенцијали растварача са обе стране мембране, односно када се достигне осмотски притисак са стране раствора. Мембрана је непропусна за растворке. Овај процес се користи за дехидрацију воћа (када се користе шећерни раствори глукозе, фруктозе и сорбитола) или дехидрацију поврћа, рибе и меса (када се користе слани раствори NaCl и CaCl2).

Реверзна осмоза Реверзна осмоза је операција која се одиграва у супротном смеру од осмозе,

односно растварач из раствора се транспортује кроз мембрану, остављајући растворак у почетном раствору. Мембрана је најчешће полиамидна или ацетатна, са изузетно малим порама, чији је пречник мањи од nm 1 (операција спада у област нанофилтрације, а назива се и хиперфилтрација). Услов за одвијање овог процеса је да је притисак са стране раствора виши од осмотског притиска. Реверзна осмоза се користи за добијање чисте воде из градске водоводне мреже за потребе медицине (припрема физиолошких раствора) или за добијање питке воде из морске воде, а у последње време за добијање деминерализоване воде за котловска постројења. Такође се користи и у прехрамбеној индустрији (производња сокова и каша од воћа и парадајза).

Дијализа При дијализи се издвајају чврсте честице ( nm 5001÷ ) из колоидних раствора

помоћу мембране која је пропустљива за све компоненте у систему, осим за чврсту фазу. У медицини хемодијализа је процес издвајања штетних компоненти (као што су креатинин и уреа) из крви.


Још једна потпуно развијена мембранска операција је електродијализа при којој се наелектрисане мембране користе за издвајање јона из водених раствора. У овом случају је погонска сила разлика електричних потенцијала. Главна употреба електродијализе је у десалинизацији сланих подземних вода, а поред тога се користи у прехрамбеној индустрији, као и за смањење загађења. Остале мембранске операције

Поред мембранских дифузионих операција у индустријској примени су и мембранске хидромеханичке операције који се одвијају у систему флуид – чврста фаза, као што су микрофилтрација (MF), ултрафилтрација (UF), нанофилтрација (NF), хиперфилтрација, односно реверзна осмоза (RO) и осмоза. Заједничко за ове операције је што је погонска сила процеса разлика притисака, а операције се углавном користе за пречишћавање воде.

1.4 ИЗБОР СЕПАРАЦИОНОГ ПРОЦЕСА При пројектовању новог постројења основна је дилема који од могућих сепарационих поступака треба применити, јер у већини случајева постоји могућност избора између неколико могућих решења. Број могућих решења је углавном ограничен одређеним физичко-хемијским својствима полазног материјала (сировине) и расположивим техничким и енергетским ресурсима. Често се поставља питање да ли треба применити дифузиону операцију, механичку операцију или њихову комбинацију. Биљно уље се, на пример, може из одређене пољопривредне културе (сунцокрет, соја, памук) добити цеђењем - пресовањем или излуживањем. Излужени резанци шећерне репе се суше и касније користе као храна у сточарству. Одстрањивање влаге из резанаца се најчешће обавља комбиновано: пресовањем (чиста механичка операција) и сушењем (дифузиона операција). Пара се може одстранити из гасне мешавине помоћу механичке операције - компримовања мешавине, путем одговарајућих дифузионих поступака (адсорпција помоћу силика-гела, апсорпција помоћу воденог раствора CaCl2) или топлотном операцијом хлађења у размењивачима топлоте, при чему се влага кондензује. У неким случајевима је могуће правити избор између дифузионих операција, хемијских поступака (који подразумевају одређене хемијске реакције) или њихове комбинације: вода се може издвојити из течног раствора етанол - вода помоћу негашеног креча који везује воду (хемијска реакција), дестилационих поступака или помоћу мембранског процеса. Често је могуће правити избор између типичних дифузионих операција: мешавина кисеоника и азота се може раздвојити на саставне компоненте помоћу дестилације, помоћу ефузије или помоћу адсорпције кисеоника на активном угљу. Поред захтева за квалитетом финалног производа, одлучујући фактор при избору процеса је у великом броју случајева јединична цена финалног производа. Трошкови дифузионих операција, по правилу, највише утичу на формирање цене финалног производа који се добијају у процесним постројењима. У општем случају они зависе од односа крајње и почетне концентрације посматраних супстанција. Ако је концентрација финалног производа у сировини мала, његово издвајање је скупо. На

Класификација дифузионих операција и апарата 11 слици 1.1 је приказан дијаграм опште зависности продајне цене финалног производа и његове концентрације у сировини [1.2]. У табели 1.2 су приказани резултати анализе три поступка деоксигенације кисеоника из воде за допуну система даљинског грејања у Београду капацитета /hm 20 3 [1.6].

Табела 1.2 Трошкови поступака деоксигенације воде за допуну система даљинског грејања у Београду капацитета /hm 20 3

Поступак Цена, 3EUR/m Термичка дегазација уз накнадни третман помоћу карбохидразида 2,70 Мембранска вакум деоксигенација (помоћу азота) 1,41 Каталитичка деоксигенација 1,24

злато изморске воде

Удео, %10-11 10-10 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 100 101 102

108

USD

/ kg

10-4

10-3

10-2

10-1

100

101

102

103

104

105

106

107

магнезијум изморске воде

бром изморске воде

уранијум

пеницилин

Витамин Б12

злато из руде

радијум

сумпор

кисеоник

питка вода из морске воде

бакар

Слика 1.1 Општа зависност продајне цене финалног производа и његове

концентрације у сировини Може се сматрати да је величина трошкова издвајања сразмерна изотермском реверзибилном раду који је неопходан за обављање процеса, односно овај рад је пропорционалан логаритму реципрочне вредности концентрације посматране компоненте у сировини. Цена сумпора је релативно ниска, јер се сумпор у релативно чистом облику налази у природи, за разлику од радијума који одликује скуп поступак издвајања, јер се он у природи налази у малим количинама и у ниским концентрацијама. Злато се добија пречишћавањем руда по нижој цени него када би се издвајало из морске воде, што је последица знатно мањег утрошка енергије за сепарацију злата из руде. Уколико се злато издваја из морске воде, само трошкови препумпавања воде у одговарајуће постројење су око 15 пута већи од цене злата на тржишту [1.2],

12 Дифузионе операције и апарати првенствено због мале концентрације злата у морској води која износи око

ppm 105 -6⋅ . Трошкови дифузионих операција зависе и од низа других елемената. Тако нпр. на трошкове утиче и капацитет постројења, што се може сагледати на примеру производње пијаће воде из морске воде. У данашње време пијаћа вода се може произвести на више начина: електродијализом, реверзном осмозом или упаравањем. На слици 1.2 приказана је производна цена пијаће воде у зависности од капацитета постројења [1.3]. Уочљиво је да је за велики производни капацитет постројења упаравање оптимално решење, док се за производњу малих количина може препоручити електродијализа.

Цен

а,

Капацитет постројења,

електродијализа

упаравање

реверзна осмоза

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

10 50 100 500 1000 5000 10000 25000

/hm3

3U

SD/m

Слика 1.2 Цена пијаће воде добијене из морске воде различитим поступцима

У неким случајевима и други фактори могу утицати на избор сепарационог поступка. Понекад операција која је најједноставнија за практичну примену може имати предност, без обзира на цену. Опште је правило да не треба примењивати оне операције о којима има мало поузданих података - када се квалитет финалног производа не може гарантовати са већом сигурношћу.

2. КЛАСИФИКАЦИЈА ДИФУЗИОНИХ АПАРАТА Дифузиони апарати се срећу у великом броју индустријских процеса, па се основна класификација врши управо на бази искустава из индустрије. Поред апарата који се користе у индустрији постоји и група апарата који се користе у лабораторијске сврхе, као и група полуиндустријских апарата на којима се верификују и проучавају процеси изведени у лабораторији, а који се требају применити у широкој индустријској производњи. Класификација дифузионих апарата се врши према: • намени;

Класификација дифузионих операција и апарата 13 • функционално техничким решењима.

1. Подела према намени се врши према основној операцији која се у апарату изводи:

• апсорбери (десорбери);

• дестилациони апарати;

• адсорбери;

• екстрактори;

• дифузори - апарати за излуживање.

Поред основне операције често се у апаратима овог типа одвијају и пратећи процеси (нпр. при термичкој десорпцији гаса из чврсте фазе долази и до загревања слоја адсорбента). 2. Подела према функционално техничким решењима У оквиру ове поделе постоји низ даљих подела. 2.1. Према начину протицања фаза Према начину протицања фаза разликују се: • проточни апарати;

• шаржни апарати.

Дифузионе операције се остварују у дифузионим апаратима који према начину протицања радних медијума могу бити проточни апарати или шаржни. У проточним апаратима се остварују стационарне дифузионе операције, које се одликују по томе што се основна термофизичка својства фаза које протичу кроз систем не мењају са временом у произвољном пресеку апарата. То значи да су протоци фаза на улазу у апарат, њихов састав, притисак и температуре непроменљиви. У стационарном радном режиму, пошто ће и услови размене супстанције између фаза бити непроменљиви, протоци фаза на излазу из апарата, као и састави, притисци и температуре ће бити константни. Нестационарне дифузионе операције су најчешће циклични процеси који се обављају у дифузионим апаратима шаржног типа. Код ових операција се термофизичка својства фаза и основне величине стања (притисак, температура, концентрација) у појединим тачкама апарата мењају за време обављања процеса. Посебан облик нестационарних операција су операције полуцикличног типа код којих се једна фаза налази у апарату све време трајања процеса, док друга фаза континуално протиче кроз апарат. 2.2. Према типу концентрационог/температурског поља • стационарни;

• нестационарни.


Начин протицања фаза кроз апарат одређује тип концентрационог/температурског

поља. У проточним апаратима се успоставља стационарно концентрационо (и/или

температурско) поље које се не мења са временом, док се у шаржним апаратима

успоставља нестационарно поље које мења са временом у току трајања операције.

2.3. Према начину остваривања контакта између фаза • апарати са континуалним контактом;

• апарати са степеним контактом - каскадни апарати - са дисперзијом једне фазе

у другу.

У дифузионим апаратима контакт између фаза може бити степени или континуалан. Степени контакт се остварује на тај начин што се две међусобно немешљиве фазе доводе у непосредан контакт при чему долази до транспорта једне или више компонената из фазе у фазу. Затим се, у оквиру истог степена, врши механичко раздвајање фаза при чему лакша фаза иде на суседни виши, а тежа на суседни нижи степен контакта. Најчешће се у оквиру једног апарата остварује више степени контакта између посматраних фаза (на слици 1.3 је приказан сегмент дифузионе колоне са подовима за контакт гасовите и течне фазе). Апарати са степеним контактом се димензионишу на тај начин што се за познати процес (количине или протоци фаза, почетне и крајње концентрације) одређује потребан број степени контакта, на бази броја теоријских степена контакта и искуствених података којима се за одређени дифузиони процес утврђује однос између броја теоријских и стварних степени контакта. Теоријски степен контакта је онај код којега су фазе на излазу (после раздвајања) у равнотежи. Треба напоменути да се често за овако дефинисан теоријски степен контакта користи термин "идеалан степен контакта", што је погрешно, јер се може показати да је при одређеним радним условима стварни степен контакта ефикаснији од "идеалног". У апаратима са континуалним контактом фаза у току обављања процеса фазе се налазе у непрекидном контакту до тренутка остварења задатих параметара раздвајања. На слици 1.4 су приказана два апарата са континуалним контактом фаза: барботажна колона (1.4.а) код које је течна фаза континуална, а гасовита фаза диспергована (мехури барботирају кроз слој течности) и спреј колона (1.4.б) код које је ситуација обрнута (течност се распршује кроз гасовиту фазу помоћу бризгаљки). Димензионисање апарата са континуалним контактом фаза се своди на одређивање потребне запремине апарата. Ова врста апарата може да се третира као апарат са једним стварним степеном контакта.

Степени контакт контакт се примењује за системе течност - гас/пара (нпр. за апсорпцију, дестилацију, итд.), течност - течност (нпр. за екстракцију) и чврста фаза - флуид (нпр. за адсорпцију).

Класификација дифузионих операција и апарата 15

zona kont akt af aza

t e~nostgas (par a)

t e~nost gas (par a)

sl i vnacev

t e~nost

gas (par a)

t e~nost Слика 1.3 Шематски приказ апарата са степеним контактом фаза


гас

гасгас

гас

течност

течност

течност

течност

a б Слика 1.4 Шематски приказ апарата са континуалним контактом фаза

а – барботажна колона, б – спреј колона

2.4 Према начину остваривања површине контакта фаза

Површински апарати - апарати са слободно формираном површином контакта

• са хоризонталним течним огледалом;

• филмски дифузиони апарати;

• апарати са испуном;

• механички филмски дифузиони апарати.

Барботажни апарати

• са континуалним барботажним слојем;

• са подовима;

• са механичким мешањем течности.

Апарати распршивањем течности

• са млазницама;

• са Вентуријевом цеви;


• са механичким распршивањем течности.

Апарати са довођењем механичке енергије из спољног извора

• механички филмски дифузиони апарати;

• дифузиони апарати са механичким мешањем течности;

• дифузиони апарати са механичким распршивањем течности.

Површински апарати - апарати са слободно формираном површином контакта Код овог типа апарата површина контакта фаза је јасно дефинисана, па се могу

користити за проучавање кинетичких параметара од важности за транспорт супстанције и топлоте (првенствено коефицијенти транспорта). При протицању фаза кроз апарат површина контакта се формира без дисперзије фаза (не постоје континуална и диспергована фаза). Дифузиони апарат са хоризонталним течним огледалом

Површина контакта је код ових апарата мала и практично је једнака површини хоризонталног течног огледала, што условљава и мали производни капацитет ових апарата. Овакви апарати су по правилу скупљи од осталих типова првенствено због великог специфичног утрошка материјала. Користе се углавном за компоненте које се добро растварају (нпр. апсорпција HCl у H2O, амонијака у води итд.), за рад са агресивним флуидима и за егзотермне процесе јер је хлађење веома лако изводљиво. На слици је приказана могућност хлађења апарата помоћу воде која се распршује преко цеви а у комбинацији са ваздухом који струји преко апарата могуће је

18 Дифузионе операције и апарати остварити и евапоративно хлађење система. Углавном се користе за лабораторијски (истраживачки) рад.

Филмски дифузиони апарати Код ових апарата се постављају сливне површине (листасте или цевасте) низ које се слива течни филм под дејством гравитације, док гасовита фаза струји углавном супротносмерно. Површина контакта фаза је једнака површини течног филма која се слива и која је приближно једнака сливној површини. Уколико сливну површину чини цевни сноп могуће је извести хлађење апарата струјањем расхладног флуида кроз међуцевни простор.

Поред ових апарата постоје и апарати са истосмерним-узлазним струјањем гаса и течности које захтева велике брзине гаса ( m/s 2015÷=Gw ).


Апарати ове групе су нашли примену у процесима апсорпције и хемосорпције (нпр. NH3 у H2O, уз хлађење помоћу воде), али се у данашње време веома ретко користе првенствено због великог специфичног утрошка материјала. Апарати са испуном Користе се за: • контакт гаса/паре и течности у процесима апсорпције/десорпције, дестилације

са ректификацијом и као контактни размењивачи топлоте;

• системе течност - течност: екстрактори.

Испуна у апарату може бити комадна (прстенови, итд.), структурна (перфорирани, профилисани листови), решеткаста (перфорисани профили) и мрежаста. Испуна се израђује од керамике, метала (челик, обојени метали), пластика, дрво. Пожељно је да испуна има велику специфичну површину контакта ( 32/mm ,Vs ) , велику порозност ( 33/mm ,ε ) и малу насипну густину. Уколико је гасовита фаза континуална, што је најчешћи случај при примени ових апарата, онда је површина контакта фаза је приближно једнака површини испуне. Што је већа порозност мањи су отпори при струјању гаса кроз апарат (мањи погонски трошкови) а мала насипна густина обезбеђује мало напрезање носеће конструкције апарата што смањује инвестиционе трошкове. У највећем броју случајева течност се слива преко испуне одозго на доле а гас струји одоздо на горе, мада у последње време израђују и дифузиони апарати са испуном са истосмерним струјањем фаза. Оваква решења се користе у случају када шема струјања фаза не утиче битно на величину погонске силе. При истосмерном току фаза (одозго на доле) брзина протицања гас може бити велика ( m/s 10>Gw ) што утиче на смањење отпора у гасној фази.

20 Дифузионе операције и апарати Апарати овог типа нису по правилу погодни за рад са системима који садрже чврсту фазу.

Механички филмски дифузиони апарати

Углавном се изводе у две варијанте: • Филмски дифузиони апарат са дисковима • Роторски филмски дифузиони апарат

Филмски дифузиони апарат са дисковима чини низ перфорисаних дискова постављених на хоризонтално вратило. Окрећу се обимном брзином од

m/s 3,02,0 ÷ при чему је површина контакта једнака делу површине дискова који није уроњен у течност. Овакав апарат се може користити у случају доброг пријањања течности на површини дискова. У пракси се користе за издвајање чврсте фазе (прашине) из природног гаса помоћу уља.


У роторском филмском дифузионом апарату течност се слива преко унутрашње површине омотача (што захтева квалитетну дистрибуцију течности у апарату) а пераја постављена на вертикални ротор контролишу дебљину слоја течности и интензификују кретање слоја (што утиче на смањење отпора транспорту супстанције у течности). Ови апарати спадају и у групу дифузионих апарата са доводом механичке енергије споља.


Барботажни дифузиони апарати Заједничко за ову врсту апарата је да континуалну фазу чини течност док се гас (пара) продувава кроз слој течности. Гас представља дисперговану фазу у облику мехурова расподељену у течности. Овај процес се назива барботажа а двофазни слој на овај начин формиран је ткз. барботажни слој.

Дифузиони апарати са континуалним барботажним слојем Најједноставнији барботажни апарат у који се не уграђују посебни контактни елементи. Гас се уводи на дно апарата преко дистрибутера гаса а помоћу нивоа течности (пене) се одређује површина контакта фаза. Површина контакта фаза је једнака површини свих гасних мехурова који се у одређеном временском тренутку налазе у течности. Површина контакта фаза се у овом случају може посредно

Класификација дифузионих операција и апарата 23 проценити. Ниво течности у апарату се може одржавати на задатој вредности преко хидрауличке браве или помоћу аутоматског вентила који се поставља на цевовод за одвод течности који је спрегнут са мерачем нивоа. Недостатак овакве конструкције представља интензивно подужно мешање фаза које значајно утиче на смањење погонске силе процеса а самим тим и на ефикасност транспорта супстанције. Овакви апарати се углавном примењују у случају када отпори у гасовитој фази контролишу процес транспорта супстанције.


Побољшано решење овог типа уређаја са смањеним интензитетом подужног мешања фаза представља секционирани барботажни дифузиони апарат који је подељен ситастим подовима на већи број зона. Друго побољшано решење представља барботажни дифузиони апарат са испуном (називају се и емулгационим колонама). У односу на уобичајене колоне са испуном, где је континуална фаза гас, овде је континуална фаза течност а улога испуне није да повећа површину контакта већ да спречи интензивно подужно мешање.

Дифузиони апарати са подовима Спадају у групу апарата са степеним контактом фаза. Подови се деле према начину протицања течности и гаса/паре кроз колону и преко самог пода. Течност се слива са пода на под кроз посебну сливну цев или кроз отворе на самом поду па је уобичајена подела подова на: • - подове са преливним уређајима;

• - подове без преливних уређаја.

Подови са преливним уређајима се деле према начину протицања фаза преко пода на: • подове са унакрсним протицањем фаза;

• подове са истосмерним кретањем фаза.


Дифузиони апарати са механичким мешањем течности

У апарату овог типа континуална фаза је течност, а гас се преко дистрибутера уводи у течну фазу. У апарату се налази мешалица помоћу које се обезбеђује хомогено концентрационо поље и интензификује процес транспорта супстанције. Користе се и као шаржни апарати као и за процесе који се споро одвијају. Спадају и у групу апарата са доводом механичке енергије споља.


Апарати распршивањем течности Дифузиони апарати са млазницама

У апарату овог типа континуална је гасовита фаза а течност се распршује у капљице помоћу млазница и представља диспреговану фазу. Површину контакта фаза чини површина свих капљица које се у посматраном временском тренутку налазе у апарату. Најчешће се остварује супротносмерни ток фаза како је приказано на слици при чему течност струји одозго на доле а гас одоздо навише. У овом случају се мора водити рачуна о томе да средња брзина гаса буде мања од брзине лебдења капљица да не дође до интензивног узношења течности са излазном гасном струјом. По правилу већа површина контакта фаза захтева распршивање течности на капљице мањих димензија док капљице мањих димензија имају и мању брзину лебдења. узношења. Овакви апарати се углавном примењују у случају када отпори у течној фази контролишу процес транспорта супстанције.

Постоје и варијанте овог апарата са увођењем течности преко система млазница постављених на неколико различитих нивоа по висини апарата. Експериментална истраживања су показала да се најбољи ефекти транспорта супстанције добијају у случају в) а најгори у случају под а).


Дифузиони апарати са Вентуријевом цеви

Дифузиони апарати са Вентуријевом цеви се деле у две групе: • апарати са распршивањем течности; • апарати са филмским струјањем течности.

У апарат са распршивањем течности млазница улази у конфузор Вентури цеви. Течност под притиском bar 106÷ повлачи са собом гас што доводи до смањења пада притиска са стране гаса. Користе се за одсумпоравање димних гасова помоћу кречног млека и за ефикасно мешање гасова и течности.


У апарату са филмским струјањем течности преко назубљене горње ивице течност улази у конфузор, слива се филмски до грла Вентури цеви а гас је затим распршује у ситне капљице.

Дифузиони апарати са механичким распршивањем течности Рад дифузионог апарата овог типа се базира на ротирању лопатица постављених на хоризонталном вратилу. Лопатице су делимично потопљене у течност. Приликом ротирања захватају течност, распршују је у капљице на начин приказан на слици. Користе се у случајевима када се у току транспорта супстанције као нус производ јавља чврста фаза чије присуство у апарату онемогућава примену других типова апарата (нпр. колоне са испуном). Спада у групу апарата са доводом механичке енергије споља.


Апарати са довођењем механичке енергије из спољног извора

Појединачни апарати из ове групе су већ поменути и по другачијим критеријумима разврстани у дрге типове апарата: механички филмски дифузиони апарати, дифузиони апарати са механичким мешањем течности и дифузиони апарати са механичким распршивањем течности. Специфичност ових уређаја је у томе што се без обзира на утрошак механичког рада у току обављања операције сврставају у апарате а не у машине јер сталним кретањем својих склопова за време обављања операције не обезбеђују трансформацију облика и димензија сировине.

Documents

HANDOUT - Lekcija 01 - Klasifikacija Difuzionih Operacija i Aparata