Roztwory doskonałe. Prawo Raulta. p i = p 0i ⋅ x i Prawo Daltona. n pc = ∑ pi i =1 Lotność bezwzględna. βi = pi xi Lotność względna. α AB = βA βB Roztwory rzeczywiste. Dodatnie i ujemne odchylenia od prawa Raulta. Układy wykazujące maksimum i minimum obniżenia i podwyższenia prężności pary (azeotropy). 1 Roztwory o ograniczonej mieszalności składników. Mieszaniny cieczy nie mieszających się w ogóle. Destylacja. Destylacja różniczkowa (kotłowa). Różniczkowy bilans masowy dla składnika bardziej lotnego. d (L ⋅ x ) = dL ⋅ y * (wyprowadź z tego równanie Rayleigha) Roztwory doskonałe spełniają warunek: y* = α⋅x 1 + x ⋅ (α − 1) (można też przybliżyć liniowo) Stężenie destylatu z bilansu masowego. L0 = L K + D L 0 ⋅ x 0 = L K ⋅ x K + D ⋅ y śr y ŚR = ... 2 Bilans układu dla różniczkowej powierzchni chłodzącej. G0 > G > GK d (G ⋅ y ) = dG ⋅ x * (przekształć, scałkuj, wyznacz GK) W stanie równowagi spełnione jest równanie: y= α ⋅ x* 1 + x * ⋅ (α − 1) (wyznacz x* i podstaw do całki, można też przybliżyć liniowo i też wyznaczyć x*) Bilans ogólny i dla składnika bardziej lotnego. G0 = G K + L G 0 ⋅ y 0 = G K ⋅ y K + L ⋅ x śr x śr = ... Destylacja z parą wodną. Temperatura destylacji z parą wodną. Metoda graficzna Grabowskiego. 3 Wydajność destylacji z parą wodną. pL n L = pW n W Y= mL pL M L = ⋅ m W p − p L 18 I L = (c L ⋅ t + rL ) ⋅ Y i "L = c L ⋅ t + rL IL - entalpia pary destylowanej cieczy odpływającej z 1[kg] pary wodnej rL - ciepło parowania destylowanej cieczy w temperaturze t cL - ciepło właściwe pary iL - entalpia właściwa [J/kg] Stopień nasycenia pary wodnej parą destylowanej cieczy. p E = L PL t pL - ciśnienie pary podczas procesu PL - ciśnienie pary nasyconej Stopień nasycenia wpływa na wydajność procesu: Y= E ⋅ PL M ⋅ L P − E ⋅ PL 18 Stopień nasycenia zależy od czasu przebywania pęcherzyka w cieczy: H E = 1 − exp − K ⋅ D K - współczynnik przenikania masy H - wysokość cieczy D - średnica pęcherzyka 4 Rektyfikacja. Bilans masowy ogólny i dla składnika bardziej lotnego rektyfikacji ciągłej. F= D+W F⋅ xF = D⋅ xD + W ⋅ xW D = ... Bilans cieplny. F ⋅ i F + Q K = QS + D ⋅ i D + W ⋅ i W + Q T Q K = ... i - entalpia molowa QS - ciepło odbierane przez czynnik chłodzący QK - ciepło dostarczane do roztworu QT - ciepło tracone Bilans masowy ogólny i dla składnika bardziej lotnego półki teoretycznej w górnej części kolumny. G n +1 + L n-1 = G n + L n G n +1 ⋅ y n +1 + L n −1 ⋅ x n-1 = G n ⋅ y n + L n ⋅ x n 5 Bilans cieplny dla półki teoretycznej w górnej części kolumny. G n +1 ⋅ i "n +1 + L n −1 ⋅ i 'n −1 = G n ⋅ i "n + L n ⋅ i 'n i" = i ' + r i 'n −1 = i 'n = i ' rn +1 = rn = r G n +1 = G n = G L n =1 = L n = L G ⋅ y n +1 + L ⋅ x n −1 = G ⋅ y n + L ⋅ x n i” - entalpia pary nasyconej i’ - entalpia cieczy wrzącej r - ciepło parowania xn,yn - stężenia równowagowe L = ... G Trójkąt dla pierwszej półki od góry. L y1 − x 2 = G x 0 − x1 y1 = x D = x 0 L x D − y2 = G x D − x1 6 Równanie górnej prostej operacyjnej i jej przebieg. G = L+D G ⋅ y n +1 = L ⋅ x n + D ⋅ x D y = ... Równanie i przebieg dolnej prostej operacyjnej. L' = G ' + W L' ⋅ x m = G ' ⋅ y m+1 + W ⋅ x W y = ... Bilans półki zasilanej. F + L + G ' = G + L' e= i "Z − i F r i "Z = r + i 'Z e - określa stan cieplny surówki i”Z - entalpia pary nasyconej suchej i’Z - entalpia cieczy wrzącej iF - entalpia surówki r - molowe ciepło parowania 7 Równanie linii e. L D y = G ⋅ x + G ⋅ x D ' y = L ⋅ x + D ⋅ x W G' G' L' = L + e ⋅ F G ' = G + (e − 1) ⋅ F F = D + W F ⋅ x F = D ⋅ x D + W ⋅ x W y= x e ⋅x − F e −1 e −1 Powrót. R= L D G = L+D b max = xD R min + 1 b max = x D ⋅ y *D − y F xD − xF Wyznaczenie liczby półek teoretycznych. Optymalna wartość liczby powrotu. 8 Rektyfikacja periodyczna. 1) xD = const. F0 − F = D F0 ⋅ x 0 − F ⋅ x F = D ⋅ x D D = ... 2) R = const. Sprawność umowna półki rektyfikacyjnej zdefiniowana od strony cieczy lub pary. EG = y n − y n +1 y *n − y n +1 E G = 1 − e −µG EL = x n −1 − x n y n −1 − x *n Sprawność ogólna kolumny. η= nt n rz Kolumna rektyfikacyjna z wypełnieniem. 9 Wysokość kolumny rektyfikacyjnej z wypełnieniem. h = ( WRPT) ⋅ n T Wysokość kolumny rektyfikacyjnej z wypełnieniem obliczona na podstawie teorii przenikania masy. dA = S ⋅ dh ⋅ a G ⋅ dy = K γ ⋅ (y * − y )⋅ dA h g = ... h d = ... H OG = N OG = G Kγ ⋅ a ⋅S yD ∫y yF dy −y * Destylacja ropy naftowej. 10 Absorpcja. Równowaga absorpcyjna. pA = H ⋅ x A YA = f (X A ) [Y] = [kmol] A [kmol] nie A (czyli inertu) [X] = [kmol] A [kmol] czystego rozpuszczalnika (nie A w fazie cieklej) Y = m⋅X m= H ⋅ML P⋅MB ML - masa molowa rozpuszczalnika MB - masa molowa gazu inertnego Bilans masowy absorpcji, prosta operacyjna. G ⋅ Y1 + L ⋅ X 2 = G ⋅ Y2 + L ⋅ X 1 L = ... G Y1 − Y2 L = * G min X 1 − X 2 11 Absorpcja z recyrkulacją. Bilans 1): G ⋅ Y1 + L ⋅ X 2 = G ⋅ Y2 + L ⋅ X 1 Bilans 2) G ⋅ Y1 + L ⋅ X '2 = G ⋅ Y2 + L ⋅ X 1 Wielokrotność recyrkulacji. a= L' L a= X1 − X 2 X 1 − X '2 a max = X1 − X 2 X1 − X '*2 Półka teoretyczna kolumny absorpcyjnej. Sprawność półki absorpcyjnej od strony gazu i od strony cieczy. EG = Yn +1 − Yn Yn +1 − Yn* EL = X n − X n −1 X *n − X n −1 Wysokość wypełnienia kolumny absorpcyjnej. 12 v = S⋅u h = a t ⋅ ( WRPT ) G ⋅ dY = K γ ⋅ (y * − Y )⋅ dA dA = ... dh = ... H OG = ... N OG = ... Przykład zastosowania absorpcji. Suszenie. 13 Usuwanie wilgoci można przeprowadzać: mechanicznie, chemicznie, cieplnie oraz elektrycznie. Do metod mechanicznych zaliczamy np.: prasowanie, wyżymanie, filtrowanie, wirowanie. Metody te stosujemy zwykle jako wstępne gdy suszony surowiec zawiera bardzo dużo wilgoci. Wilgotność końcowa materiału jest dość duża. Jest to zabieg na ogół tani. Metody chemiczne polegają na używaniu substancji higroskopijnych np.: chlorek potasu, chlorek wapnia, stężony kwas siarkowy, pięciotlenek fosforu, żel krzemionkowy. Jest to metoda dość droga, dlatego jest stosowana do suszenia niewielkich ilości materiału np. w badaniach laboratoryjnych. Metody cieplne polegają na usuwaniu wilgoci przez odparowanie cieczy kosztem dostarczanej, do suszonego materiału, energii cieplnej. W tym celu wykorzystuje się: strumień gazu, podgrzewanie próbek w suszarni, promienniki podczerwieni. Metody cieplne odgrywają główną rolę, są stosowane najczęściej. Suszenie prądem wysokiej częstotliwości stosuje się w przypadku dielektryków. Materiał suszony nagrzewa się w szybkozmiennym polu elektrycznym. Wilgotność bezwzględna jest to masa wilgoci w kilogramach przypadająca na jeden kilogram materiału suchego. Wilgotność materiału wyraża się również jako zawartość procentowa masy wilgoci w sumie mas: wilgoci i materiału suchego. Wilgotność względna powietrza to stosunek prężności cząstkowej pary wodnej w powietrzu do prężności pary wodnej nasyconej, w tej samej temperaturze. Wilgotność masowa bezwzględna powietrza to stosunek masy pary wodnej wyrażonej w kilogramach do masy suchego powietrza, również wyrażonej w kilogramach. w i l g o t n o ś ć φ = 100% φ1 < 100% φ2 < φ1 temperatura s z y b k o ś ć s u s z e n i a drugi okres suszenia pierwszy okres suszenia wilgotność bezwzględna materiału 14 Pompy ciepła. Ciepło samorzutnie przepływa z ośrodka o wyższej temperaturze do ośrodka o temperaturze niższej (druga zasada termodynamiki). Przepływ ciepła w odwrotnym kierunku wymaga wykonania pracy. Do tego celu służą pompy ciepła. Najbardziej rozpowszechnione są sprężarkowe pompy ciepła. Pompa przenosi ciepło po przez czynnik termodynamiczny, który poddawany jest następującym przemianom: 1) w warunkach izobarycznych czynnik pobiera ciepło z ośrodka o niższej temperaturze, w wyniku pobrania tego ciepła odparowuje 2) w warunkach adiabatycznych para czynnika jest sprężana, wymaga to nakładu pracy, w wyniku sprężania temperatura czynnika rośnie, uzyskana na końcu procesu temperatura musi być wyższa od temperatury ośrodka którego temperatura ma być podwyższona 3) czynnik skrapla się oddając ciepło do ogrzewanego ośrodka 4) w procesie stałoentalpowym czynnik jest dławiony, ciśnienie i temperatura czynnika obniżają się przy czym temperatura musi spaść poniżej temperatury ośrodka z którego pobierane jest ciepło 5) czynnik pobiera ciepło ze źródła (źródło oddaje ciepło) w wyniku czego zamienia się w parę Wydajność tego procesu jest charakteryzowana przez ilość przekazywanego ciepła przypadającego na jednostkę włożonej w to pracy. Wielkość ta zwana współczynnikiem wydajności maleje wraz ze wzrostem różnicy temperatur między ośrodkami. Praca potrzebna do tego procesu pochodzi ze źródeł energii wysokopotencjałowej. Obliczając wydajność przekazywane ciepło często odnosi się nie do wykonanej pracy lecz bezpośrednio do energii zużytej na wykonanie tej pracy. W obliczaniu wydajności procesu należy uwzględnić sprawność urządzenia wykonującego potrzebną pracę. Sprawność ta jest równa wartości stosunku wykonanej pracy do energii włożonej w wykonanie tej pracy. Stosując pompy ciepła możemy wykorzystywać ciepło odpadowe procesów przemysłowych. Przykładem tego jest proces rektyfikacji. Para grzejna po wyjściu z kolumny rektyfikacyjnej musi być skroplona. Oddaje ona ciepło czynnikowi chłodzącemu skraplacza. Aby czynnik mógł być użyty ponownie musi być schłodzony, musi oddać ciepło. Ciepło to może być przekazane parze grzejnej. Ponieważ temperatura pary jest wyższa od temperatury czynnika chłodzącego przekazanie ciepła może się odbyć jedynie przy pomocy pompy ciepła. 15