Anyagátadási Műveletek Két egymással érintkező fázis közötti anyagátvitel Komponensátadás Elválasztási művelet Diffúzió

Az anyagátadási műveletek típusai Abszorpció: komponens(ek) kinyerése gázelegyből folyadék abszorbens segítségével Desztilláció: folyadékelegy komponenseinek szétválasztása a folyadékfázis és annak részleges elgőzölögtetésével létrejött gőzfázis közötti anyagátvitellel Extrakció: folyadék vagy szilárd fázis egyik komponensének kioldása folyadékfázisú oldószerrel Adszorpció: gázok, gőzök vagy folyadékok komponensének kinyerése szilárd pórusos anyagokkal (adszorbensekkel). Ioncsere Szárítás Kristályosítás

Desztilláció - rektifikálás Homogén folyadékelegyek elválasztásának művelete, a folyadékfázis és annak részleges elpárolgásával létrejövő gőzfázis közötti anyagátmenettel. Desztilláció: egyszeri, részleges elpárologtatás és kondenzálás. │tf1 – tf2│ ≥ 60 C jó elválasztást adhat. Rektifikálás: ellenáramú, többszöri desztilláció. Szétválasztás lehetősége: illékonysági eltérés. Két komponensű, ideális rendszerek (A, B – A illékonyabb).

Raoult-törvény: a parciális nyomás hogyan függ a folyadék összetételétől. Dalton-törvény: a parciális nyomás hogyan függ a gőzfázis összetételétől.

A két összefüggés összevetéséből: Megkapjuk a gőz és a folyadék koncentrációja közötti összefüggést. Illékonyság (egyensúlyi állandó):

Relatív illékonyság: Egyensúlyi görbe (hiperbola) a = 1 ritka eset, nem elválasztható

Relatív illékonyság állandósága A relatív illékonyság közel ideális elegyek esetén kevéssé változik a hőmérséklettel. Ezt az egyszerűsített desztillációs számításoknál gyakran kihasználjuk. Gőznyomás számítása reális esetben: Nagyszámú empirikus és félempirikus gőznyomásegyenlet ismert. A leggyakrabban használt; Antoine: A, B, C: állandók t: hőmérséklet (ºC)

Egyszerű szakaszos desztilláció Anyagmérleg: x – illékonyabb móltört a folyadékban y – illékonyabb móltört a gőzfázisban dL mennyiséget elpárologtatva a koncentráció dx-el csökken. dD mennyiségű desztillátum képződik.

Ha a folyadék és az elpárolgó gőz között egyensúly áll fönn és, ha a  állandó, akkor helyettesítés után: x0 – kezdeti koncentráció xv – végső koncentráció

A desztillátum csak akkor tiszta, ha Dtf ≥ 60 oC, egyébként tartalmaz nehezen illó komponenst is. Csak a maradéka lehet tiszta. Felhasználás: - illórész eltávolítása, - előtisztítás rektifikáláshoz – szilárd anyagtól való elválasztás, - kis mennyiségek bepárlása, víz oldószermentesítése

Folyamatos egyensúlyi (flash) desztilláció A folyadékelegyet felmelegítés után állandó áramban betápláljuk egy lepárló rendszerbe. A keletkezett egyensúlyi gőz- és folyadékfázisokat folyamatosan külön-külön elvezetjük.

Többfokozatú desztilláció

Ellenáramú desztilláció

Rektifikálás

Rektifikálás Desztillátum, fenéktermék Rektifikáló szakasz, kiforraló szakasz Anyag és energiamérlegek, egyensúlyi viszonyok

A dúsító szakasz anyagmérlege (stacionárius esetre): Refluxarány Egyszerűsítés: az oszlop mindkét szakaszán állandó moláris anyagáram valósul meg L1=L2=...; G1=G2=... L1’=L2’=...; G1’=G2’=... a dúsító szakasz munkavonala (a felső munkavonal egyenlet)

A szegényítő szakasz anyagmérlege: a szegényítő szakasz munkavonala (az alsó munkavonal egyenlete)

A betáplálás hőállapotát az úgynevezett q vonal egyenlete írja le. Anyagmérleg a betáplálási pontban: Forró folyadék q = 1 Hideg folyadék q > 1 Nedves gőz Forró folyadék + gőz 0  q  1 Száraz telített gőz q = 0 Túlhevített gőz q  0 Q vonal: a két munkavonal lehetséges találkozási pontjainak mértani helye q kalorikus tényező (a betáp. hőállapotát jellemzi), ha a betáplálás a forrásponton van, akkor V = V’ (nincs párolgás, nincs kondenzálás), és itt q = 1. Ha a betáplálás hidegen történik, akkor a V’ egy része kondenzálódik és L’ nagyon megnő L-hez képest → q > 1.

q-vonal: a két munkavonal lehetséges metszéspontjainak a mértani helye egy adott betáplálás esetén Forró folyadék q = 1 Hideg folyadék q > 1 Nedves gőz Forró folyadék + gőz 0  q  1 Száraz telített gőz q = 0 Túlhevített gőz q  0 ha x = xF  y = xF

Kolonna-jellemzők: hatékonyság – (elméleti tányérszám) kapacitás – (átmérő) Egyensúlyi fokozat (elméleti tányér): A készülék azon része, melyben az érintkező fázisok közötti anyag- és energiatranszport olyan mértékű, hogy a kilépő fázisok egyensúlyban vannak. Egyensúlyi görbe: yi=f(xi) Munkavonal: yi+1=f(xi)

McCabe és Thiele módszere a teljes folyamatos kolonnára a felső munkavonal pontjai: a q vonal pontjai: legyen forrpontú betáplálás  q = 1 (függőleges egyenes)

az alsó munkavonal pontjai:

Szerkesztési eljárás: egyensúlyi görbe + átló xF, xW és xD bejelölése felső munkavonal behúzása q vonal bejelölése alsó munkavonal berajzolása lépcsőszerkesztés xD-ből kiindulva

y1 y2 Felső munkavonal: xW x2 xF x1 xD

A rektifikálás változatai: Két komponens:

Három komponens: (hagyományos) egyenes sorrend fordított sorrend

Négy komponens: Soros kapcsolások egyenes sorrend fordított sorrend

vegyes sorrend vegyes sorrend (egyenes, fordított) (fordított, egyenes) Párhuzamos kapcsolás

Abszorpció Az abszorpció gáz- vagy gázok elnyelése folyadékban Az abszorbens elnyelő képessége:

Az abszorpciót a korszerű ipari gyakorlatban folyamatos berendezésben hajtják végre. Egymással szemben áramlik a gázelegy és az elnyelő folyadék. A művelethez szükséges érintkezést különleges tányérszerkezet vagy gyűrű alakú töltet biztosítja.

Oldószer regenerálás melegítéssel

Extrakció A kiinduló anyag (elegy, keverék) adott komponensét nyerjük ki oldószer segítségével. folyadék-folyadék extrakció szilárd-folyadék extrakció - Szuperkritikus extrakció: a kiinduló anyag összetett szilárd anyag (esetleg folyadékelegy), az oldószer nagynyomású gáz (destrakció)

Folyadék-folyadék extrakció Kiinduló anyag: A+C=F A: anyaoldat C: céltermék B: szolvens (oldó-, kivonatoló- vagy mosófolyadék) M: keverék A B és az A komponens nem vagy csak korlátozott mértékben elegyedik. a – P – b terület: két folyadékfázis a – P – b görbe: binóda R – E húr: konóda R: raffinátum E: extraktum Elegyedési (háromszög) diagram

Keverő-ülepítő extraktor Az F-F extrakció alkalmazása indokolt a desztillációval szemben: − a kiinduló komponensek azeotróp elegyet képeznek − illékonysági különbségük kicsi − hőérzékenyek − a desztillálás költsége nagyobb mint az extrahálásé (közeli forráspontok, céltermék kis koncentrációja)

Többfokozatú keresztáramú extrakció Többfokozatú ellenáramú extrakció

Szilárd-folyadék extrakció Röviden: kilúgozás Pl.: cukorrépa, napraforgó, gyógynövényekből hatóanyag kivonása (tea, kávé) Szakaszos berendezés: Extraktor Lepárlóüst Kondenzátor Szedőedény

Ellenáramú extrakciós telep:

Folytonos üzemű extraktor (pl.):

Szuperkritikus extrakció (SCE) Ma már igen elterjedt − Kávé, tea koffeinmentesítése − Dohány nikotintartalmának csökkentése − Fűszerkivonatok, gyógynövény-hatóanyagok, kozmetikumok előállítása − Kőolaj feldolgozása A legfontosabb oldógáz a szén-dioxid (31,3°C; 73,8 bar)

Adszorpció Az adszorpció a fluid-szilárd fázisérintkeztetés azon művelete, melynek során a szilárd anyag felületén gázok, illetve folyadékok komponenseit kötjük meg. − Adszorbens: az a szilárd fázis, melynek felületén a komponensek megkötődnek. A megkötődés ún. aktív centrumokon játszódik le. − Adszorbeátum: az adszorbensen megkötődő komponens(ek) A fizikai adszorpció reverzibilis, a hőmérséklet, nyomás, koncentráció megváltoztatásával megfordítható folyamat. (deszorpció)

A leggyakrabban használt adszorbensek: Aktív szén, Szilikonüveg alapú adszorbensek, Cellulóz alapú adszorbensek Polisztirol-divinil benzol alapú adszorbensek, Molekulasziták (zeolitok), Aktivált alumínium-oxid, Szilikagél Az adszorbensek megkötő kapacitása annak belső porozitásától függ. Ez szabja meg a pórusfelület nagyságát, az adszorbens fajlagos felületét.