Metoda obliczania przewodników ciepła

Jako regułę przyjmujemy indeks „1” dla płynu cieplejszego - oddającego ciepło, natomiast indeks „2” będzie dotyczył płynu chłodniejszego - nagrzewanego.

Analizę przeprowadzamy przy założeniach upraszczających:

- współczynnik przenikania ciepła k jest w całym wymienniku taki sam,

- nie występują straty ciepła do otoczenia,

- ciepło właściwe c_p czynników nie zależy od temperatury.

Podstawą wszelkich obliczeń wymienników ciepła są równania wymiany ciepła

Q=kFΔT (23.1)

Q [W] -ciepło wymienione

k [W/m²K] -współczynnik przenikania ciepła

F [m²] -powierzchnia wymiany ciepła

ΔT [K] -różnica temperatur

oraz równania bilansu energii:

Q=c•1m_p1(T₁₁-T₁₂) (23.2)

Q [W] -ciepło oddane przez czynnik „1”

• 1m [kg/s] -przepływ masowy czynnika „1”

c_p1 [J/kgK] -ciepło właściwe czynnika „1”

T₁₁ [K] -temperatura na wlocie czynnika „1”

T₁₂ [K] -temperatura na wylocie czynnika „1”

Q=c•2m_p2(T₂₂-T₂₁) (23.3)

Q [W] -ciepło pobrane przez czynnik „2”

• 2m [kg/s] -przepływ masowy czynnika „2”

c_p2 [J/kgK] -ciepło właściwe czynnika „2”

T₂₂ [K] -temperatura na wylocie czynnika „2”

T₂₁ [K] -temperatura na wlocie czynnika „2”

Dyfuzja - proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek lub energii w danym ośrodku (np. w gazie, cieczy lub ciele stałym), będący konsekwencją chaotycznych zderzeń cząsteczek dyfundującej substancji między sobą i/lub z cząsteczkami otaczającego ją ośrodka. Ze względu na skalę zjawiska, rozpatruje się dwa podstawowe rodzaje dyfuzji:

• dyfuzja śledzona (ang. tracer diffusion) to proces mikroskopowy polegający na chaotycznym ruchu pojedynczej („śledzonej”) cząsteczki (przykład: ruchy Browna).

• dyfuzja chemiczna to proces makroskopowy obejmujący makroskopowe ilości materii (lub energii), zwykle opisywany równaniem dyfuzji i prowadzący do wyrównywania stężenia (lub temperatury) każdej z dyfundujących substancji w całym układzie.

Dyfuzja zachodzi zarówno w stanie równowagi, jak i poza równowagą termodynamiczną. Dyfuzję śledzoną bada się zwykle w stanie równowagi, a dyfuzję chemiczną w układach nierównowagowych. Dyfuzja w stanie braku równowagi termodynamicznej jest procesem nieodwracalnym, który przybliża stan układu do stanu równowagi termodynamicznej i zwiększa jego entropię. Dyfuzja chemiczna zachodząca w stanie równowagi zwana jest samodyfuzją.

Dyfuzja materii jest zjawiskiem aktywowanym termicznie - zwiększenie temperatury zwykle prowadzi do zwiększenia tempa dyfuzji. W przypadku większości ciał stałych zależność tę opisuje prawo Arrheniusa.

Dyfuzja jest jednym z mechanizmów transportu. W tym kontekście jej bardzo charakterystyczną cechą jest to, że typowa odległość R, o którą przemieszczana jest substancja z obszaru o podwyższonym stężeniu po dostatecznie długim czasie t jest proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z czasu.

Krystalizacja metali:

Warunki termodynamiczne: Podstawowe rodzaje krystalizacji:

1) Heterogeniczna - następuje w ośrodku ciekłym gdzie istnieją nie rozpuszczone cząstki fazy stałej, na której osadza się faza macierzysta; (dla większości procesów metalurgicznych i ceramicznych zachodzi zarodkowanie heterogeniczne);

2) Homogeniczna - następuje w wyniku fluktuacji energii w ośrodku i w określonym miejscu w którym energia jest wystarczająca do powstania zarodka o wielkości nadkrytycznej. Wymaga większego przechłodzenia niż w przypadku zarodkowania heterogenicznego;

Zarodkiem krystalizacji nazywamy kilkuset atomowe skupienie fazy stałej, o typowej dla niej strukturze krystalicznej powstałej wewnątrz fazy ciekłej.

Siłą napędową procesu zarodkowania jest różnica energii swobodnej fazy ciekłej i stałej przy danej wielkości przechłodzenia

prawo Tammana

Zależność szybkości zarodkowania I_z i szybkości wzrostu kryształów V_r

w funkcji przechłodzenia DT

Destylacja wielostopniowa (destylacja wielokrotna) - rzadko stosowany proces destylacji, polegający na kilkakrotnym powtórzeniu destylacji prostej. Prowadzony jest w ten sposób, że destylat z jednego etapu doprowadzany jest jako ciecz surowa do naczynia (kotła) destylacyjnego w kolejnym, co umożliwia lepszy rozdział mieszaniny. Obecnie zamiast destylacji wielostopniowej zwykle stosuje się rektyfikację.

Destylacja prosta to destylacja, w której pary destylowanej cieczy kierowane są wprost do chłodnicy, a po skropleniu odbierane jako produkt w odbieralniku. W ruchu znajduje się tylko jedna faza - pary substancji destylowanej. Czystość destylatu można zwiększyć przez zastosowanie deflegmatora, proces ten to rektyfikacja.

Jest to mało wydajny sposób rozdziału mieszanin (stosowany głównie w laboratoriach). Wydajniejszym procesem, laboratoryjnym lub przemysłowym, jest rektyfikacja. Jeden z najstarszych procesów przeróbczych stosowanych w alchemii. Naczynie do prowadzenia destylacji nazywano dawniej alembikiem.

Rektyfikacja (destylacja frakcyjna, frakcjonowana, frakcjonująca) - z fizycznego punktu widzenia jest to proces destylacji kaskadowej (wielopoziomowej), w którym każdy stopień procesu jest zasilany produktem (destylatem) poprzedniego. Jednak z technologicznego punktu widzenia rektyfikacja jest procesem jednostkowym, w którym mieszanina ciekła jest rozdzielana na frakcje o różnej (zwykle zbliżonej) lotności.

Rektyfikacja w warunkach przemysłowych zachodzi w specjalnych kolumnach rektyfikacyjnych zapewniających adiabatyczne warunki procesu, choć czasami stosuje się też kolumny z płaszczem chłodzącym lub grzejnym albo kolumny strefowe, które na pewnym odcinku są ogrzewane a na innym chłodzone, aby zapewnić ich maksymalną sprawność.

Zminiaturyzowane kolumny rektyfikacyjne stosuje się także w laboratoriach chemicznych, gdyż rektyfikacja jest o wiele wydajniejsza niż destylacja prosta.

Adsorpcja — to proces wiązania się cząsteczek, atomów lub jonów na powierzchni lub granicy faz fizycznych, powodujący lokalne zmiany stężenia. Adsorpcji nie należy mylić z absorpcją, która jest procesem wnikania do wnętrza fazy. Adsorpcję, absorpcję i wymianę jonową przyjęło się wspólnie nazywać procesami sorpcji.

Proces odwrotny do adsorpcji, absorpcji czy ogólnie sorpcji to desorpcja.

W przemyśle proces adsorpcji i desorpcji prowadzi się z użyciem adsorberów.

Adsorpcja fizyczna i chemiczna

Najczęściej terminem adsorpcja określa się proces wiązania substancji gazowej na powierzchni substancji ciekłej lub stałej, lub też proces wiązania substancji ciekłej na powierzchni substancji stałej. Może mieć charakter chemiczny (chemisorpcja - reakcja chemiczna) lub fizyczny (adsorpcja fizyczna, lub niezbyt precyzyjnie fizysorpcja). Adsorpcja ma charakter powierzchniowy, czym różni się od absorpcji polegającej na pochłanianiu w całej objętości (mechanizm podziałowy - zobacz prawo podziału Nernsta). Często procesy adsorpcji oraz absorpcji występują równocześnie i mówimy wtedy o sorpcji. Termin sorpcja stosujemy również wtedy gdy nie chcemy lub nie możemy sprecyzować mechanizmu zjawiska.

Substancja gromadząca się na powierzchni to adsorbat, substancja przyjmująca to adsorbent. Adsorpcja może zachodzić z fazy nieruchomej w warunkach statycznych lub z fazy ruchomej w warunkach dynamicznych. Zdolność adsorpcyjna to masa adsorbatu, która może być zaadsorbowana przez jednostkę masy adsorbentu. Jest ona zależna od wielu zmiennych i wyznaczana doświadczalnie dla danego płynu i warunków (ciśnienie, temperatura, rodzaj i czas zetknięcia).

Zjawisko może mieć charakter monowarstwowy (tzn. jednowarstwowy) - np. chemisorpcja jest z reguły monowarstwowa - lub wielowarstwowy (poliwarstwowy), np. adsorpcja par przy ciśnieniu bliskim ciśnieniu pary nasyconej, gdy następuje samorzutna kondensacja pary.

Adsorpcja fizyczna - zlokalizowana i mobilna

W przypadku adsorpcji fizycznej dalsze rozróżnienie związane jest z możliwością przemieszczania się cząsteczek adsorbatu po powierzchni adsorbentu. Jeżeli bariera potencjału pomiędzy sąsiednimi miejscami jest duża w porównaniu z energią kinetyczną zaadsorbowanych cząsteczek (2 stopnie swobody dla ruchu na płaszczyźnie, E_kin,2D = kT), wówczas mówimy o adsorpcji zlokalizowanej, jeżeli ta bariera jest znacznie mniejsza, wówczas przeważa charakter mobilny (cząsteczki poruszają się dość swobodnie po powierzchni), przy wielkości bariery ~kT mówimy o adsorpcji częściowo mobilnej.

Mobilność adsorpcji powoduje zmniejszenie adsorpcji (cząsteczki bardziej sobie przeszkadzają). Niezależnie od ruchów w płaszczyźnie powierzchni, cały czas zachodzą procesy adsorpcji na powierzchni i desorpcji już zaadsorbowanych cząsteczek, co warunkuje istnienie równowagi dynamicznej pomiędzy procesami adsorpcji i procesami desorpcji.

Absorpcja (fizyka, chemia) (łac. absorbere, wchłaniać) to proces polegający na wnikaniu cząsteczek, atomów lub jonów do wnętrza innej substancji tworzącej dowolną fazę ciągłą - (gazu, cieczy, ciała stałego itp.) Absorpcji nie należy mylić z adsorpcją, która jest zjawiskiem powierzchniowym. Absorpcja, adsorpcja i wymiana jonowa są wspólnie nazywane procesami sorpcji.

Mechanizm absorpcji polega na podziale absorbowanego składnika pomiędzy dwie fazy (ośrodki) objętościowe. Zjawisko to opisuje prawo podziału Nernsta, a w szczególnym przypadku równowagi gaz/ciecz prawo Henry'ego.

Zjawiska absorpcji są powszechne w naturze, np. oddychanie jest procesem absorpcji tlenu do krwi. Absorpcja jest też stosowana na masową skalę w procesach technologicznych. Stanowi np. podstawowy mechanizm umożliwiający oczyszczanie związków chemicznych przez ekstrakcję. Jest to proces dyfuzyjny zachodzący podczas bezprzeponowego zetknięcia cieczy z gazem zawierającym składnik, który chcemy z niego usunąć. Składnik gazowy pochłaniany przez ciecz nazywa się absorbatem, a ciecz używana do pochłaniania określonego składnika nazywa się absorbentem. W chemii mamy najczęściej do czynienia z absorpcją jednej substancji (absorbat) i przez (absorbent) znajdująca się w jednej fazie oraz z absorpcją promieniowania (elektromagnetycznego, korpuskularnego, fal akustycznych) przez różne substancje.

Absorpcja jest pochłanianiem całą objętością absorbentu, którym najczęściej jest ciecz (rzadko ciało stałe np. gazowy wodór pochłaniany przez pallad) absorbująca gazy lub inne ciecze. Metodą absorpcji można np. oczyszczać gazy selektywne, absorbując niepożądane składniki (np. tlenki siarki pochłaniane w roztworze wodorotlenku wapnia). Absorpcja jest związana z reakcjami chemicznymi pomiędzy absorbatem i absorbentem.

W hydrogeologii absorpcją nazywa się najczęściej proces wchłaniania gazów przez wody podziemne. Gaz w tym procesie rozpuszcza się równomiernie.

Desorpcja - proces odwrotny do sorpcji, polegający na uwalnianiu cząsteczek, atomów lub jonów z powierzchni lub z masy jednej ciągłej fazy fizycznej do drugiej.

Desorpcji sprzyjają:

• podwyższenie temperatury;

• zmniejszenie stopnia dyspersji

• zmniejszenie stężenia adsorbowanych jonów.

Sorpcja może być procesem

• chemicznym

• chemisorpcja - reakcja powierzchniowa;

• reakcja chemiczna w cieczy, np. pochłanianie dwutlenku węgla w roztworze NaOH),

• fizycznym

• adsorpcja fizyczna czyli fizysorpcja - np. zanieczyszczenia na węglu aktywnym;

• absorpcja - podział substancji pomiędzy 2 fazy ciekłe lub ciekłą i gazową) lub np. wymianą jonową.

Procesom sorpcyjnym często towarzyszą inne, jak powierzchniowe wytrącanie trudno rozpuszczalnych soli (właściwości roztworu przy powierzchni granicy faz są często inne niż w głębi roztworu, np. może być zmieniona przenikalność dielektryczna).

Badając sorpcję często analizuje się tzw. izotermę sorpcji, czyli zależność wielkości sorpcji od stężenia (w roztworze) lub ciśnienia substancji przy zachowaniu stałości temperatury.

Ekstrakcją nazywamy proces rozdzielenia mieszanin ciał stałych i ciekłych, wykorzystujący różnicę rozpuszczalności składników. Rozdział następuje poprzez rozpuszczanie
(wymywanie) niektórych składników mieszaniny za pomocą cieczy zwanej rozpuszczalnikiem
wtórnym. Ekstrakcja zachodzi więc w układach dwufazowych ciecz-ciało stałe lub ciecz-ciecz.
Ekstrakcję w układzie ciecz-ciało stałe przy pomocy wody nazywa się ługowaniem. Ciekła mieszanina podlegająca rozdziałowi (procesowi ekstrakcji) nosi nazwę cieczy surowej lub
surówki ekstrakcyjnej (S). Surówka ekstrakcyjna składa się z cieczy zwanej rozpuszczalnikiem
pierwotnym (A), w której rozpuszczona jest druga ciecz (ciecz rozpuszczona (B)). W celu
rozdziału cieczy rozpuszczonej od rozpuszczalnika pierwotnego do surówki dodaje się
rozpuszczalnik wtórny (C), zwany także ekstrahentem. W wyniku procesu ekstrakcji otrzymuje
się dwie nowe fazy ciekłe. W przypadku ekstrakcji idealnej są to:

1) rafinat (R) - zawierający rozpuszczalnik pierwotny oraz część cieczy rozpuszczonej

2) ekstrakt (E) - zawierający rozpuszczalnik wtórny oraz resztę cieczy rozpuszczonej

W przypadku ekstrakcji ciecz-ciało stałe z surowca uzyskujemy ekstrakt (ciecz z rozpuszczonym
w niej składnikiem ekstrahowanym) oraz pozostałość poekstrakcyjną (ciało stałe pozbawione
składnika wymywanego lub z jego mniejszą zawartością). Ekstrakcję prowadzi się w urządzeniach różnego typu:

• zbiornikach - reaktorach. Są to aparaty starszego typu, najczęściej z mieszaniem mechanicznym
  lub pneumatycznym, o działaniu okresowym lub półciągłym. Ze względu na małą intensywność
  procesu często stosuje się szeregowe łączenie aparatów tego typu w kaskady

• mieszalnikach przepływowych (strumieniowych, iniektorowych, przelotowych) przeznaczonych do ekstrakcji materiałów łatwo (szybko) ekstrahujących, • w kolumnach ekstrakcyjnych różnego typu (półkowych, z wypełnieniem, z mieszadłami, pulsacyjnych i innych), które pracując w przeciwprądzie charakteryzują się wyższą intensywnością wymiany masy niż urządzenia poprzednich rodzajów

• ekstraktorach ze zraszaniem fazy stałej (taśmowe, koszowe, ślimakowe)

• ekstraktorach specjalnych

Duże znaczenie praktyczne mają procesy ekstrakcji wielostopniowej współprądowej i
przeciwprądowej. Przykładami zastosowania ekstrakcji ciało stałe - ciecz (wykorzystywanymi w
przemyśle) mogą być procesy:

• wymywania różnych substancji z rud - związków uranowych, związków metali rzadkich,
• wymywanie substancji organicznych z surowców roślinnych, mających ogromne znaczenie w
produkcji: cukru, olejów, ekstraktów dla potrzeb farmacji.

---