10.5.2017

1

Separační procesy

Separační procesySlouží 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 homogenní

g – g g – g (směs plynů)

g – l (mlha, pěna) g – l (plyn rozpuštěný v kapalině)

g – s (dým) g – s

l – l (emulze) l – l (mísitelné kapaliny)

l – s (suspenze, tuhá pěna) l – s (roztok)

s – s 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)

10.5.2017

2

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

• 푢 = 1,74 turbulentní (Newton)

• 푢 =

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 / proměnnáRotační vakuový bubnový filtr, kalolis, rukávové filtry, pískové filtry

10.5.2017

3

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

10.5.2017

4

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-xMollierůvdiagram

10.5.2017

5

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 dodecylsíranusodného.1) smáčivost2) hustota3) vodivost4) povrchové napětí5) osmotický tlak6) ekviva lentní vodivost7) mezi fázové napětí

Odpařování, krystalizace (l-s)

• lze využít pro oddělení netěkavých tuhých látek rozpuštěných v rozpouštědle

• zvýšení koncentrace nad mezrozpustnosti

• 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)

10.5.2017

6

Rektifikace

• vícenásobná destilace se zpětným tokem

• počet teoretických pater• McCabe-Thieleho metoda

• kolony – kloboučkové, sítové, náplňové

p1: 푦 = 푥 + 푅 = ̇̇

q: 푦 = 푥 − 푞 =

q > 1 – nástřikem je kapalina při teplotě nižší než bod varuq = 1 – nástřikem je kapalina při teplotě bodu varu0 < q < 1 – nástřikem je směskapaliny a páryq = 0 – nástřikem je sytá páraq < 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 퐾 =

• kontinuální i nekontinuální, vícestupňová• superkritická extrakce (CO2,Tc=31 °C, pc=74 bar)• následuje oddělení ex a l2 (dekantér) a destilace / odpaření

10.5.2017

7

Absorpce (g-g)

• pohlcování jednoho (nebo všech kromě jednoho) plynu ze směsi v kapalině

• fyzikální a chemická• Henryův zákon 푝 = 푘 푥• 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 m2/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 / Temperature Swing Adsorption