Proces jednostkowy (operacja jednostkowa, proces) pojedynczy akt przemiany lub przepływu materii w aparaturze.

Przypadki kombinacji zjawisk: destylacja jest połączeniem ruchu masy i ciepła, proces w reaktorze chemicznym jest połączeniem przepływu płynu, dyfuzyjnego ruchu masy i transportu ciepła.

Procesy jednostkowe można przedstawić jako zespół procesów fizycznych, które są zawsze opisywane za pomocą cech ilościowych zwanych wielkościami fizycznymi.

Re- liczba Reynoldsa określa stosunek sił bezwładności do sił lepkości i jest kryterium burzliwości.

Ruch ciepła to ilość ciepła przenoszona w czasie T: QTJI

Gęstość strumienia masy: N_A=m/A [kg/m²sJ] lub N’A=m’A/A

Dyfuzja to molekularne przenoszenie masy.

Operacje jednostkowe dyfuzyjne: adsorpcja, absorpcja (?)

Ciecz doskonała: nieściśliwa, nielepka, gęstość cieczy na całej długości przewodu się nie zmienia, spełnia prawa Eulera, Pascala, Archimedesa.

Gaz doskonały spełnia prawa Boyle’a-Mariotta, Guy-Lussaca, Charlesa i Clapeyrona.

Adsorpcja- proces wiązania się cząsteczek, atomów lub jonów na powierzchni lub granicy faz fizycznych, powodujący lokalne zmiany stężeń. Adsorpcji nie należy mylić z absorpcją, która jest procesem wnikania do wnętrza fazy.

Adsorpcja fizyczna zachodzi wskutek działania przyciągania międzycząsteczkowego (siły Van der Waalsa). Cząsteczki na powierzchni ciała stałego mają tylko częściowe wysycone siły przyciągania międzycząsteczkowego, w rezultacie ciało stałe może gromadzić na swojej powierzchni cząsteczki adsorbatu.

Zjawisko adsorpcji może mieć charakter wielowarstwowy, np. adsorpcja par przy ciśnieniu bliskim ciśnieniu pary nasyconej, gdy następuje samorzutna kondensacja pary.

Centra aktywne- uczestniczą w adsorpcji, są różnymi zagłębieniami, kanalikami itp., w których stosunkowo stale siły międzycząsteczkowe nakładają się na siebie.

Struktura kanalikowa występująca w węglu aktywnym sprzyja nie tylko rozwinięciu powierzchni, ale też znacznemu wzrostowi powierzchniowej gęstości centrów aktywnych.

Adsorbenty: węgiel aktywny, ziemia okrzemkowa, żel krzemionkowy.

Adsorpcja zlokalizowana- jeżeli bariera potencjału pomiędzy sąsiednimi miejscami jest duża w porównaniu z energią kinetyczną zaadsorbowanych cząsteczek.

Adsorpcja częściowo mobilna- jeżeli bariera potencjału pomiędzy sąsiednimi miejscami jest znacznie mniejsza porównaniu z energią kinetyczną zaadsorbowanych cząsteczek, wówczas przeważa charakter mobilny (mobilność adsorpcji powoduje zmniejszanie adsorpcji).

Adsorpcja chemiczna- jeżeli siły wiążące adsorbat na powierzchni adsorbentu mają naturę wiązania chemicznego (są realizowane z udziałem elektronów).

Bariera energetyczna adsorpcji chemicznej jest wysoka- proces przebiega z obserwowalną szybkością w wyższych temperaturach.

Do opisu stanu równowagi adsorpcyjnej stosuje się m. in. równania izoterm adsorpcji określające charakter zależności zaadsorbowanej ilości adsorbatu od jego ciśnienia lub stężenia przy stałości temperatury. Np. liniowa izoterma Henry’ego.

W stałej temperaturze ilość substancji zaadsorbowanej zwiększa się w zależności od ciśnienia.

Proces adsorpcji w cieczach różni się zasadniczo od adsorpcji z fazy gazowej. Adsorpcja w cieczach ma zawsze charakter konkurencyjny (jedna substancja wypiera drugą), podczas gdy w adsorpcji fazy gazowej nabiera takiego charakteru dopiero przy co najmniej 2 składnikach gazowych i dużych ich ciśnieniach lub niskich temperaturach.

Koloidy są to układy o dużym stopniu rozdrobnienia, są stanem pośrednim pomiędzy roztworami rzeczywistymi, które są układami fizycznie jednorodnymi z rozdrobnieniem cząsteczkowym a zawiesinami i mieszaninami niejednorodnymi.

W zależności od wartości dyspersji, koloidy dzieli się na: asocjacyjne (w których substancje rozproszone samorzutnie przechodzą w stan koloidalny) i dyspersyjne (w których substancje rozproszoną otrzymuje się przez wymuszone rozdrabnianie).

Koloidy liofilowe- mające duże powinowactwo do rozpuszczalnika, dzięki czemu cząstki koloidalne otaczają się cząsteczkami rozpuszczalnika, co nadaje im trwałość.

Koloidy liofobowe- posiadające małe powinowactwo do rozpuszczalnika i na swojej powierzchni gromadzące ładunek elektryczny.

Efekt Tyndalla polega na tym, że jeżeli przez roztwór koloidalny przepuszcza się wiązkę światła, to wskutek uginania się promieni na cząstkach fazy rozproszonej mniejszych od długości fali, światło staje się widoczne w postaci smugi świetlnej.

Cechą układów koloidalnych są ruchy Browna- zjawisko polega na ciągłych chaotycznych ruchach postępowych, obrotowych i drgających fazy rozproszonej w ośrodku ciekłym lub gazowym. Ruchy Browna to bezładne ruchy cząstek koloidalnych w ośrodku rozpraszającym.

Koagulacja koloidu- należy zniszczyć jonową warstwę adsorpcyjną, dodając do roztworu koloidalnego roztwór zawierający jony, które będą skutecznie konkurować z cząstką koloidalną w procesie wiązania jonów warstwy adsorpcyjnej. Pozbawiona osłony cząstka łatwo połączy się w większe agregaty. do koagulacji może doprowadzić dopiero duży dodatek elektrolitu, którego jony ulegając hydratacji będą niszczyć sokoatacyjną otoczkę chroniącą cząstkę koloidalną.

Typy emulsji: O/W- układ emulsyjny dwóch niemieszających się cieczy określany jako olej w wodzie, jeżeli hydrofobowa faza, zwana „olejem” jest zawieszona w postaci rozproszonej w fazie hydrofilowej zwanej „wodą”, W/O- gdy fazą ciągła, zewnetrzną jest ciecz hydrofobowa „olej”, a cieczą zdyspergowaną jest ciecz hydrofilowa „woda”.

Membrana- stanowi fazę rozdzielającą dwie inne fazy, działa w transporcie materii jako przegroda pasywna lub aktywna, stała lub ciekła warstwa rozdzielająca dwie fazy płynne, ale umożliwiająca przenikanie niektórych składników jednej fazy do drugiej.

Permeat- część roztworu zasilającego (nadawy), która przeniknęła przez membranę.

W procesie mikrofiltracji występuje siłą napędowa ∆p<2 bar, a mechanizmem rozdziału jest efekt sitowy.

Substancje jonowymienne: (?) polimery jonowe, polielektrolity, jonomery.

Membrany jonowymienne dzieli się na: kationowymienne (grupy dysocjacyjne mają ładunek ujemny, w związku z tym w stałym polu elektrycznym przez membranę jest przenoszony ładunek elektryczny przez kationy pochodzące z roztworu, membrany te przenoszą kationy w warunku katody i wykluczają aniony) i anionowymienne (mają ładunek dodatni, w stałym polu elektrycznym są przenoszone aniony w warunku anody kationy są wykluczane).

Filtracja- proces rozdzielenia zawiesiny ciała stałego w cieczy lub gazie w wyniku zatrzymania na lub w porowatej przegrodzie. Filtracja przez membrany może być stosowana jako alternatywa flokulacji, adsorpcji na węglu aktywnym, wymiany jonowej, ekstrakcji i destylacji.

Prewaporacja- technika separacyjna, w której zachodzi przemiana fazowa pierwszego rodzaju połączona z transportem masy przez membranę o porowatości molekularnej.

Zawiesina fazy stałej w cieczy charakteryzowana jest przez stężenie masowe fazy stałej oraz rozmiary cząstek tworzących zawiesinę.

Filtracja powierzchniowa- zachodzi podczas przepływu cieczy i gazu przez tkaniny filtracyjne i placek z własnego osadu.

Do wstępnego rozdzielenia zawiesin służy filtracja ciśnieniowa (plackowa) oraz dynamiczna.

Filtracja wgłębna- polega na usuwaniu cząstek fazy stałej występujących w cieczy w niewielkich stężeniach masowych (10 mg/l), poprzez przepływ strumienia zawierającego zawiesiny przez warstwę złoża, zbudowanego z ziaren lub włókien.

Gdy cząstki zawiesiny są zatrzymywane na powierzchni złoża, tworząc placek filtracyjny i osad jest nieściśliwy, to zależność prędkości przepływu od czasu jest prostoliniowa.

Efektywność filtracji- definiowana jest jako iloraz ilości cząstek zatrzymanych na filtrze do ilości cząstek napływających na filtr η=[(n₀-n_k)/n₀]*100%

Skuteczność filtrów absolutnych: więcej niż 99,9% (skuteczność ta jest odnoszona do cząstek odpowiednich rozmiarów, wyróżniających klasę filtra, np. 0,5 μm, 1 μm itd.).

Filtracja jest procesem okresowym, co oznacza, że po pewnym czasie należy przerwać proces filtracji, oczyścić układ filtracyjny z zanieczyszczeń i ponownie uruchomić proces.

Przegrodę w procesie filtracji może stanowić warstwa materiału ziarnistego o średnicy ziaren >0.3mm. W tym przypadku zawiesiny są zatrzymywane wewnątrz złoża.

Ruch laminarny- jeżeli wartość liczby Reynoldsa jest niższa od liczby krytycznej Reynoldsa, a wywołane w płynie zaburzenia ulegają wyhamowaniu, ruch stabilizuje się, cząsteczki płyną w równoległych, ślizgających się po sobie warstewkach.

Ruch turbulentny- jeżeli wartość liczby krytycznej Reynoldsa jest przekroczona, wprowadzone zaburzenie narasta i powoduje trwałe zaburzenie pola prędkości oraz następuje intensywne mieszanie się cząstek.

Liczba Reynoldsa- liczba podobieństwa charakteryzująca zjawisko mechaniczne zachodzące głównie pod wpływem sił tarcia wewnętrznego występujących w badanym zjawisku. Re=d*v/ν Krytyczna liczba Reynoldsa wynosi 2320.

Sedymentacja grawitacyjna- proces, w którym wydzielanie cząstek z cieczy nastepuję w wyniku opadania cząstek zawieszonych pod wpływem siły ciężkości.

Bilans sił działających na pojedynczą cząstkę w płynie nieruchomym lub poruszającym się ruchem laminarnym: v_s(p_s+a_dp_c)dU_s/dt= v_s p_sg+(- v_sp_cg)+(-λF_sp_cU_s)/2 (?)

Prędkość swobodnego opadania cząstek: U_n=1,79(d_s∆pg/p_c)^0,5

Model Campa- opisuje sedymentację zawiesin mających różne rozmiary i opadających z różnymi prędkościami. Długość drogi opadania zależy od prędkości przepływu zawiesin. Skuteczność osadzania się jest stosunkiem prędkości opadania U_s/U_sc

Obliczanie rozmiarów osadnika poziomego można przeprowadzić analizując prędkość liniową spadania zawiesiny w kierunku osiowym osadnika U_L i czas r_s potrzebny do wydzielenia cząstek o prędkości spadania U_so (?), która znajduje się w najbardziej niekorzystnym położeniu na wlocie do osadnika. H=H_o=(L_o*L)tgα (H- głębokość osadnika, L_o- długość odpowiadająca godzinowej sedymentacji zawiesin) U_L=Q_c/BH=Dl/dr (U_L- średnia prędkość liniowa zawiesiny wzdłuż osadnika, B- szerokość osadnika) L=1,2L_o (L- całkowita długość osadnika) F_c=1,2 L_oB (F_c- powierzchnia osadnika)

Warunki efektywnego działania osadnika:

Stabilny przepływ przez osadnik wymaga dużej wartości Fr- liczby Froude’a, co osiąga się w wyniku dużej prędkości przepływu i małej wartości R_h. Wartość Re i Fr wymaga wyboru prędkości optymalnej.

Prędkość przepływu zawiesiny w osadniku nie może być zbyt duża by uniknąć unoszenia się cząstek osadzonych.

Dla cząstek o prędkości spadania U_s przyjmuje się, że prędkość U_L powinna spełniać warunek: U_L<150U_s

Przy założeniu, że najmniejsze cząstki, które powinny zostać osadzone w osadniku mają prędkość osadzania rzędu 2*10^-4m/s dopuszczalna prędkość w osadniku w kierunku wzdłużnym wyniesie 0,03m/s.

Między długością L, a szerokością B i głębokością H powinny być spełnione zależności: L/H=9:22 L/B=4:7,3 (najczęściej L=30-60m, H=1,5-3m)

Hydraulicznymi warunkami prawidłowego działania osadników: zachowanie laminarnego przepływu- wartość Re=580, a Fr możliwie duża (w praktyce Re=10000, a Fr=10^-5).

Prędkość cząstek zawiesiny względem ścian zbiornika jest sumą dwóch prędkości: prędkość opadania U_s i prędkość transportowania całej zawiesiny U_g.

Ciepło- forma energii, która jest przekazywana jeśli istnieje różnica temperatur, od punktu o temperaturze wyższej do punktu o temperaturze niższej.

Gradient temperatury- określa lokalny wzrost temperatury w przestrzeni.

Strumień ciepła- jest ilością energii cieplnej przenoszonej poprzez pewną powierzchnię kontrolną prostopadłą do tego strumienia.

Gęstość strumienia cieplnego- stosunek strumienia cieplnego do pola powierzchni kontrolnej q=Q/A [W/m²]

Wnikanie ciepła- ogólna nazwa sposobu przekazywania ciepła do płynu od powierzchni np. ciała stałego lub cieczy.

Temperatura- pojęcie termodynamiczne, związane z intensywnością drgań molekuł danego ciała; im bardziej intensywny ruch molekuł, tym wyższa temperatura; ze spadkiem temperatury ruch molekuł jest mniej intensywny, aż w końcu całkowicie zanika (temperatura zera bezwzględnego).

Temperatura może być funkcja położenia i czasu. Dla przyjętego powszechnie do obliczeń technicznych modelu ośrodka ciągłego, dla prostokątnego układu współrzędnych, zależność tę można zapisać: T=ƒ(x,y,z,t). Funkcja ta przypisuje każdemu czasowi, każdemu punktowi materialnemu określoną temperaturę. Mówi się wtedy, że jest dane pole temperaturowe tego układu. Jeśli pole temperaturowe układu jest niezależne od czasu, to jest to ustalone pole temperaturowe. Gdy w układzie tym zachodzą procesy ruchu ciepła, wówczas nazywa się je procesami ustalonymi.

Przewodzenie ciepła w większości przypadków jest związane z molekularnym ruchem poszczególnych cząstek. Cząsteczki mające wyższą energię, w wyniku zderzeń przekazują część swojej energii cząsteczkom o niższej energii. Taki jest mechanizm transportu energii (ciepła) dla gazów, cieczy i większości ciał stałych. W metalach przepływ energii jest związany z ruchem wolnych elektronów.

Konwekcja cieplna jest związana z przepływem płynów. Energia jest przenoszona z miejsc o wyższej temperaturze do obszarów o niższej, nie przez pojedyncze molekuły, jak w przewodzeniu ciepła, ale przemieszczanie się całych pakietów. gorętsze elementy płynu są przenoszone na drodze przepływu lub występującymi w płynie wirami (?) na znaczne odległości i mieszają się z zimniejszymi elementami. Ten mechanizm transportu ciepła jest dużo szybszy niż przewodzenie ciepła.

Energia cieplna przenoszona w konwekcji: wyróżnia się dwie konwekcje: wymuszoną i swobodną. w wymuszonej konwekcji ciepła ruch płynu i związany z tym ruch ciepła następuje na skutek jakiegoś wymuszenia. To wymuszenie przepływu płynu może być spowodowane przez pompę, wentylator lub mieszadło. w swobodnej konwekcji ciepła przepływ płynu jest samoistny, jest następstwem występowania sił wyporu termicznego. Płyn o wyższej temperaturze ma zwykle mniejszą gęstość, co pociąga za sobą unoszenie go ku górze. Tu miesza się z zimnym płynem, przekazując mu część swojego ciepła.

Szybkość wnikania ciepła: Q=αA(T_w-T_α) [W] (Q- strumień wnikającego ciepła, α- współczynnik wnikania ciepła, A- powierzchnia ścianki, T_w- temperatura powierzchni ścianki, T_α- temperatura płynu)

Mechanizm promieniowania ciepła polega na przekazywaniu energii w przestrzeni za pomocą fal elektromagnetycznych, każde ciało mające temperaturę wyższą niż temperatura zera bezwzględnego, wypromieniowuje ciepło, jak również je pochłania. Proces ten może zachodzić również w próżni.

Prawo Fouriera: Wektor gęstości strumienia ciepła w przewodnictwie danego punktu ciała równomiernie nagrzanego, w danym momencie czasu- jest wprost proporcjonalny do wektora gradientu temperatury. q=λgradT [W/m²]

Ze względu na rodzaj przewodzonego ciepła, największe współczynniki przewodzenia ciepła mają czyste metale, w których dominuje przewodzenie za pomocą ruchu elektronów swobodnych.

Lokalny współczynnik wnikania ciepła α_x- wyraża liczbowo tę ilość ciepła, która została przekazana od/do ścianki o powierzchni jednostkowej od/do przepływającego płynu w jednostce czasu. q_x= α_x(T_w-T) (q_x- lokalna gęstość strumienia ciepła[W/m²])

OC- określa zdolność do wprowadzenia tlenu do cieczy w danej komorze przy danych parametrach pracy aeratorów. Jednostki: kg O₂/h, kg O₂/m³*h, kg O₂/m*h.

Stopień natlenienia k- iloraz ilości doprowadzonego tlenu i ilości doprowadzanych zanieczyszczeń wyrażonych przez BZT₅ lub ChZT.

Ze względu na sposób mieszania doprowadzonych ścieków do komory z zawartością rozróżnia się dwa rodzaje komór aeracji: o niepełnym wymieszaniu i o pełnym wymieszaniu.

W komorach pełnego wymieszania doprowadzane ścieki mieszane są od razu z całą zawartością komory. W takich warunkach obciążenie osadu czynnego ładunkiem zanieczyszczeń oraz zapotrzebowanie tlenu jest stałe w całej komorze, a zawartość BZT₅ w ściekach odpływających jest równa zawartości BZT₅ w komorze.

W komorach Kessenera stosuje się wirniki o osi poziomej (napowietrzanie szczotkami Kessenera).