Grupa E

1. Ekstrakcja

Ekstrakcja nazywamy proces selektywnego rozdzielania mieszanin za pomocą rozpuszczalnika ciekłego lub gazu w stanie nadkrytycznym. Rozróżniamy układy :

Ciecz-ciecz ciało stałe – ciecz ciało stałe – gaz w stanie nadkrytycznym

Ekstrakcja w układzie ciecz – ciecz

Mieszaninę dwóch mieszających się ze sobą cieczy gdzie:

A – rozpuszczalnik pierwotny

B – substancja rozpuszczana

Taki roztwór zadajemy specjalnie dobranym rozpuszczalnikiem zwanym ekstrahentem C nie mieszającym się lub słabo rozpuszczającym się w A.

surówka

ekstrahent

STOPIEŃ EKSTRAKCYJNY to urządzenie mechaniczne lub zespół takich urządzeń zapewniający wymieszanie oraz odpowiednie długi czas kontaktu cieczy biorących udział w ekstrakcji, a następnie ich rozdział na fazę wzbogaconą w składnik rozpuszczony (ekstrakt) i fazę zubożałą w ten składnik (rafinat)

Stężenie w poszczególnych strumieniach oznaczmy

X_S X_C X_E X_R

Bilans materiałowy ma postać:

C₀ + S = M M = R + E

Bilans B

C₀X_S + S_Xs = R_XR + E_Xe

Rodzaje ekstrakcji

1. Ekstrakcja w prądzie skrzyżowanym (współprądowa)

Najlepsze wyekstrahowanie uzyskujemy w przypadku równomiernego podziału C na poszczególne stopnie

C₁=C₂=C_n= C/n

1. Ekstrakcja przeciwprądowa

W ekstrakcji przeciwprądowej ekstrakt ze stopnia następnego zwracany jest do stopnia poprzedniego. Rozpuszczalnik dostarczamy na przeciwległym krańcu w stosunku do surówki.

2. Mieszanie

Celem mieszania jest wyrównanie temp i stężeń. W przypadku cieczy niejednorodnych mieszanie stwarza stan równowagi dynamicznej.

Na proces mieszania wpływają zarówno wł cieczy (gazu) jak i charakter ruchu powodującego mieszanie zw z konstrukcją aparatu i prędkości obrotów.

3 rodzaje cieczy :

- c. niutonowskie : intensywność mieszania nie wpływa na zmianę lepkości płynu zależy jedynie od temp

- c. pseudoplastyczne Bingmana – lepkość maleje przy dużych obrotach mieszadła i energetycznie korzystne jest prowadzić proces przy większej prędkości obrotów

- c. zintegrowana – lepkość wzrasta w miarę zwiększania liczby obrotów mieszadła. Mieszanie prowadzi się przy pewnym optimum obrotów

Zmienne mocy mieszania :

- parametry fizyczne układu : lepkości i gęstość cieczy

- parametry kinetyczne i dynamiczne : obroty mieszadła n , siła ciężkości g

- parametry geometryczne układu : średnica mieszadła d, średnica zbiornika D , wysokość zbiornika H

3. Prawo Bernouliego

Jest ono formą zasady zachowania energii

p_dynamiczne + p_statyczne + p_geodezyjne = const

Suma energii jest stała w danej strudze. Prawo dotyczy cieczy doskonałych.

p_dyn1 + p_st1 + p_geo1 = p_dyn2 + p_st2 + p_geo2

Dla cieczy rzeczywistych pojawia się w tym równaniu ∆p_strat

Na prostych odcinkach rur straty są wyrażane wzorem:

$$p_{\text{strat}} = \lambda\frac{l}{d}\left( \frac{w^{2}}{2}\rho \right)$$

Gdzie λ - współczynnik oporu w – prędkość d – średnica rurociągu

L – długość odcinka ρ – gęstość przepływającej cieczy

p strat miejscowe

$$p_{\text{strat}} = \xi\left( \frac{w^{2}}{2}\rho \right)\ gdzie\ \xi - wspolczynnik\ oporu\ miejscowego$$

Całkowity spadek ciśnienia ∆p to suma p strat na odcinkach prostych i p strat miejscowych.

GRUPA F

1. Proces Destylacji

 Destylacja- operacja jednostkowa polegająca na przeprowadzeniu cieczy w stan pary i ponownym skropleniu jednego lub kilku składników mieszaniny ciekłej w celu ich rozdzielenia lub oczyszczenia.

      W procesie destylacji wykorzystuje się się różną lotność poszczególnych składników zawartych w mieszaninie ciekłej w danej temperaturze. Z tego względu skład pary jest inny niż skład cieczy wrzącej tzn. w parze znajdują się praktycznie wszystkie składniki zawarte we wrzącej cieczy jednak jest ona bogatsza o składniki bardziej lotne (o niższej temperaturze wrzenia), a wrząca ciecz wzbogaca się o składniki mniej lotne. Stąd destylat posiada większe stężenie składnika bardziej lotnego natomiast w cieczy wyczerpanej wzrasta stężenie składnika lub składników mniej lotnych.

Rodzaje destylacji

 destylacja prosta – polega na jednorazowym odparowaniu i skropleniu cieczy

 destylacja wielostopniowa – seria destylacji prostych prowadzonych jedna po drugiej

 rektyfikacja (inaczej destylacja frakcyjna) – proces kaskadowy w aparaturze, która umożliwia jednoczesne wielokrotne odparowywanie i skraplanie cieczy. Istotą jest przeciwprądowy ruch fazy ciekłej i gazowej; destylat może być odbierany w formie frakcji różniących się składem.

 destylacja azeotropowa – przy użyciu dodatkowego składnika (czynnika rozdzielającego), tworzącego azeotropy ze składnikiem lub składnikami mieszanin, wykorzystywana do rozdzielania azeotropów i składników bliskowrzących

 destylacja ekstrakcyjna – przy użyciu czynnika rozdzielającego o małej lotności, który zwiększa różnicę między względnymi prężnościami par składników rozdzielanych mieszanin, a jest odprowadzany z urządzenia destylacyjnego wraz ze składnikiem lub składnikami mniej lotnymi (z cieczą wyczerpaną)

 destylacja z parą wodną – stosowana często w preparatyce organicznej. Przez mieszaninę przepuszcza się parę wodną, obniża się temperaturę destylacji, a w odbieralniku otrzymujemy mieszaninę cieczy organicznej i wody^[2].

 destylacja pod zmniejszonym ciśnieniem (inaczej próżniowa) – przy niższym ciśnieniu niższa jest też temperatura wrzenia, co zapobiega rozkładowi cieczy wrażliwych na wysokie temperatury

1. Wzrost kryształów

Od momentu gdy w przesyconym roztworze wytworzy się stabilny zarodek zaczyna się wzrost kryształów. Poznaliśmy 2 teorie opisu wzrostu kryształów:

1. Teoria energii powierzchniowej – opiera się na postulacie Gibbsa, że kryształ rośnie przyjmując kształt taki aby jego energia powierzchniowa była najmniejsza.

2. Teoria warstw adsorpcyjnych zakłada, że cząsteczki substancji krystalizującej osadzają się na powierzchni kryształów w miejscu gdzie siły przyciągania są największe, tzn tam gdzie jest umieszczona maksymalna liczba takich elementów.

$$\frac{\text{dm}}{\text{dt}} = kA\left( C - C^{'} \right)$$

Gdzie m – przyrost masy fazy stałej w czasie t

k – współczynnik wnikania masy

A – powierzchnia kryształu

C – stężenie składnika w roztworze przesyconym

C’ – stężenie składnika w roztworze nasyconym

Podczas wzrostu kryształów występują 2 etapy:

- transport dyfuzyjny składnika z głębi fazy ciekłej na powierzchnię kryształu

- wbudowanie cząsteczek substancji krystalizującej w strukturę kryształu

C

Siła napędowa procesu dyfuzji

Siła napędowa reakcji

C’

$$\frac{\text{dm}}{\text{dt}} = k_{d}A\left( C - C_{1} \right)$$

$$\frac{\text{dm}}{\text{dt}} = k_{r}A\left( C_{1} - C^{'} \right)$$

$$\frac{1}{k} = \frac{1}{\text{kd}} + \frac{1}{\text{kr}}$$

kd – współczynnik wnikania wskutek dyfuzji

kr – współczynnik szybkości reakcji powierzchniowej

1. Stała dynamiki Newtona

$$\frac{F}{A} = \eta\frac{\text{dw}}{\text{dh}}$$

Gdzie η − dynamiczny wspolczynnik lepkosci

H – wysokość w – prędkość F – siła A – powierzchnia

GRUPA G

1. Reaktory okresowego działania

Reaktor okresowy to zbiornik zaopatrzony w mieszadło oraz wężownicę lub płaszcz grzejny. Na początku procesu umieszczamy mieszaninę substratów, których stężenia po czasie maleją. Następnie mieszaninę usuwa się z reaktora na nową porcję. Takie reaktory

używane są do produkcji małotonażowej (kilka ton) i produkty oraz substraty są drogie.

Dla reaktora okresowego idealnie pracujące w warunkach izotermicznych

$$- r_{A} = \frac{dC_{A}}{\text{dτ}}$$

Stąd konieczny jest czas przebywania płynu w reaktorze

$$\tau = - \int_{C_{A0}}^{C_{A}}\frac{dC_{A}}{r_{A}}\ \ \ \ \ = > \ \tau = n_{A0}\int_{0}^{\alpha}\frac{\text{dα}}{r_{A}V}$$

Dla warunków gdy objętość mieszaniny reakcyjnej jest stała

$$\tau = C_{A0}\int_{0}^{\alpha}\frac{\text{dα}}{r_{A}}$$

C_A/ra

T

α

1. Wpływ T i p na absorbcję

Absorpcja jest procesem wymiany masy między fazą gazową i ciekłą. Celem przeprowadzenia tego procesu jest rozdział mieszaniny gazowej lub usunięcie z niej składnika.

• Dla zadanych stężeń zewnętrznych w aparacie absorpcyjnym i natężeń przepływu strumienia gazu i cieczy, linia operacyjna nie zmienia się ze wzrostem ciśnienia. Linia równowagi natomiast obniża się zwiększając odległość od linii operacyjnej. Zwiększa się siła napędowa procesu.

• Ciśnienie wpływa na wartość współczynników kinetycznych oraz grubość warstewek granicznych.

• Przy podwyższaniu temp. linia operacyjna nie ulga przemieszczeniu, ale zmienia się linia równowagi, zbliżając się do linii operacyjnej (siła napędowa spada)

• Temperatura silnie wpływa na kinetykę procesu, zmienia lepkość gazu i cieczy, które to parametry wpływają na grubość warstewek granicznych.

1. Linia operacyjna – krystalizacja odparowanie rozpuszczalnika

C

T

T

GRUPA H

1. Reaktory ciągłego działania

Reaktory ciągłego działania dzielą się na reaktory przepływowe i półprzepływowe.

Reaktory przepływowe są reaktorami używanymi w procesach wielkoprzemysłowych. Są to zbiorniki zaopatrzone w mieszadło i powierzchnię wymiany ciepła. Substraty dostarcza się w sposób ciągły i odbiera produkty z nieprzereagowanymi substratami w ten sam sposób. Dzięki mieszadłu mieszanina ma jednakowy skład w każdym punkcie.

Drugi typ reaktora przepływowego – reaktor rurowy – ma postać rury ( najczęściej zwinietej ), w której w sposób ciągły przepływa mieszanina reakcyjna. Czas przetrzymywania jest krótki. (np. reaktor tłokowy w silniku samochodu)

Reaktory pół-przepływowe – znajdują zastosowanie np. w przypadkach gdy reakcja jest silnie egzotermiczna i konieczna jest ścisła kontrola procesu. Wtedy jeden z substratów umieszczany jest w reaktorze, natomiast limitujemy szybkość wprowadzania drugiego substratu aby kontrolować wydzielane ciepło.

W reaktorach przepływowych w sposób ciągły dopływa płyn o natężeniu U_o A C_A0 V

Ciecz jest doskonale wymieszana, stężenie jej w reaktorze jest równe stężeniu wypływowemu C_A1

U₀C_A0 = U₁C_A1 + r_A1V

Zwykle U₀ ~ U₁~ U

Oznaczamy t_m średni czas przebywania w reaktorze

$$\tau_{m} = \frac{V}{U}$$

Bilans masy ma teraz postać

$$r_{A1} = \frac{1}{\tau_{m}}(C_{A0} - C_{A1})$$

tgα = $- \frac{1}{\tau_{m}}$

r_A1

α

C_A1 C_A0

Nanieśmy na ten wykres zależności szybkości reakcji od stężenia. Jeżeli z punktu o współrzędnych C_A0 0 poprowadzimy prosta, której współczynnik kierunkowy wynosi tgα to wówczas punkt przecięcia tej prostej z krzywą kinetyczną ma współrzędne C_A1 r_A1

Po wprowadzeniu do poprzedniego równania C_A1 otrzymamy:

$$\tau_{m} = \frac{C_{A0}\alpha}{r_{A1}}$$

Temperatura wpływa na kinetykę jak i na równowagę adsorpcyjną

Adsorpcja fizyczna – w wyższej temp. proces zachodzi szybciej

Chemisorpcja – wpływ temp. zależy od indywidualnego przypadku reakcji chemicznej.

Szybkość przepływu roztworu nie wpływa na równowage, ma jednak wpływ na kinetyke procesu.

Adsorbcja przebiega korzystniej dla mniejszych ziaren adsorbenta.

3. Wykres chłodzenia w procesie krystalizacji - ?