Ugrás a tartalomhoz

Diffúziós műveletek

Dr. Gulyás Lajos (2011)

4. fejezet - Gőz-folyadék rendszerek közötti anyagtranszport, desztilláció

4. fejezet - Gőz-folyadék rendszerek közötti anyagtranszport, desztilláció

A gőzök és folyadékok közötti anyagtranszport jellegzetes művelete a desztilláció, vagy lepárlás. A desztilláció az oldatok komponenseinek szétválasztására használt módszer, amely az anyagnak a gáz- és a folyadékfázis közötti megoszlásán alapszik olyan esetekben, amikor mindegyik komponens minkét fázisban jelen van. Ahelyett, hogy a másik fázis létrejöttéhez újabb anyagot vezetnénk az elegybe, amint azt a gázabszorpciónál vagy deszorpciónál tesszük, az új fázist az eredeti oldatból elpárologtatással vagy kondenzálással hozzuk létre. A desztillációban a fázisok mindegyik komponense diffundál. Ezeket a műveleteket az egyidejű hő- és anyagátadás jellemzi. Ezen kívül az anyag párolgása vagy kondenzálása következtében a latens hők, valamint néha az oldáshő figyelembevétele is szükséges. A desztillációban az anyagátadáshoz szükséges új fázist hő hozzáadásával vagy elvonásával hozzuk létre az eredetiből, míg az abszorpciónál ezt az új fázist kívülről vezetjük a rendszerbe, mint például a vízzel történő gázabszorpciónál a vizet.

A desztilláció és a többi művelet, elsősorban a bepárlás és a gázabszorpció közötti különbség megértéséhez idézzünk néhány jellemző példát. Közönséges só vizes oldatának szétválasztására a vizet teljesen el lehet párologtatni az oldatból anélkül, hogy a só is elpárologna, mivel ez utóbbi az adott körülmények között nem illékony. Tehát az illékony oldószer és nem illó szilárd anyag oldatát bepárlással dolgozzuk fel. A bepárlás rendszerint víz (oldószer) eltávolítása a nem illékony anyagok oldatából elgőzölögtetéssel. A bepárlás eredményeként az oldószer egy része eltávozik. Ezzel szemben a lepárlást (desztillációt) az olyan oldatok szétválasztása alkalmazzuk, amelyeknek minden komponense számottevően illékony.

Vizsgáljunk meg például a már említett a vizes ammóniaoldat komponenseinek szétválasztását. Az ammónia vizes oldatából, ha azt a folyadékban lényegében oldhatatlan levegővel érintkeztetjük, az ammónia kihajtható (deszorbeálható), de ekkor az ammónia vízgőzzel és levegővel elegyedik, és nem kapjuk meg tiszta alakban. Ezzel szemben az oldatot melegítéssel részlegesen elpárologtathatjuk, és így egy olyan gőzfázist kapunk, ami csak vizet és ammóniát tartalmaz. Mivel a gőz dúsabb ammóniában, mint a visszamaradó folyadék, ez bizonyos elválasztást eredményez. A fázisok megfelelő kezelésével vagy ismételt elpárologtatással és kondenzálással rendszerint meg lehet valósítani a kívánt teljes elválasztást, és az elegy mindkét komponensét megfelelően tiszta állapotban lehet megkapni. Különösen vonatkozik ez a megállapítás a rektifikálásra. A rektifikáció a desztilláció és a deflegmáció együttes alkalmazása. A kiforralóból felszálló gőzök ellenáramban többször érintkeznek a kondenzátorból lefolyó folyadékkal, és a tetszőleges tisztaságú szétválasztás ilyen módon valósítható meg.

A desztillációnál az új fázis az eredeti fázistól hőtartalmában különbözik. A hő minden nehézség nélkül közölhető vagy elvonható, bár természetesen ennek költségét figyelembe kell venni. A bepárlásnál és a lepárlásnál is nagy szerepe van az elpárologtatásnak és a forrásnak. A folyadék halmazállapotú anyag gáz halmazállapotúvá alakulása, ha csupán a felületen történik, akkor elpárolgás, és ha a folyadék térfogatára is kiterjed, akkor forrás. Mind a két folyamat lehet totális, ekkor minden folyadékból gáz lesz, vagy részleges, és lehet frakcionált is, vagy többször ismételt. A kondenzációval a keletkező gőzelegyet kondenzáltatjuk. A művelet többször ismételhető. A kondenzáció az elpárologtatás és a forrás inverz művelete. Lehet egyszerű, amikor a teljes gőzmennyiséget cseppfolyósítják, vagy frakcionált, amikor egymásután több hőmérsékleten történik a kondenzáció. Ezt a műveletet deflegmációnak is nevezik.

Amint már említettük az abszorpciós vagy deszorpciós műveletek, amelyek idegen anyag bevezetésén alapulnak, új oldatot eredményeznek, amelyet még valamelyik diffúziós művelettel el kell választani, kivéve ha ez az új oldat közvetlenül is felhasználható. A lepárlásnak azonban, mint elválasztási műveletnek vannak bizonyos korlátai is. Az abszorpció, az adszorpciós vagy extrakciós műveletek során, ahol idegen anyagot vezetünk be, hogy a megoszlás céljára új fázist kapjunk, rendszerint az oldószerek nagy választékából válogathatunk azért, hogy a lehető legnagyobb elválasztó hatást érjük el. Például a víz hatástalan a szénhidrogéngázoknak gázelegyekből való abszorbeálásában, helyette cseppfolyós szénhidrogént választunk, amely nagyon jól oldja a gázt. A lepárlásban azonban nincs ilyen választási lehetőség. A gázfázis, amelyet a folyadékból forralással képezhetünk, csak a folyadék komponenseit tartalmazza. A gázfázis emiatt kémiailag nagyon hasonló a folyadékhoz, az összetételnek a komponensek két fázis közötti megoszlásából származó változása rendszerint nem nagy. Néhány esetben az összetételváltozás olyan kicsi, hogy a folyamat gyakorlatilag nem alkalmazható, sőt az is lehetséges, hogy semmiféle változás nincs az összetételben. Mindemellett a közvetlen elválasztás, amely lepárlással rendszerint elérhető, a tiszta termék előállítása céljából nem igényel további eljárást.

4.1. Desztillációs egyensúly

Két vagy több illékony komponenst tartalmazó homogén folyadékelegy legelterjedtebb szétválasztási módja a lepárlás. A lepárlás olyan művelet, amely magában foglalja a szétválasztandó elegy részleges elpárologtatását, és a keletkező gőzök egyszeri vagy többszöri kondenzáltatását. A kondenzálás eredményeként a keletkező folyadékelegy összetétele különbözik a kiindulásitól. Két elvileg különböző lepárlási mód létezik, a desztillálás és a rektifikálás.

A desztilláció a folyadékelegy illékony komponenseinek alkotórészeire történő szétválasztása, az elegy részleges elgőzölögtetésével, és az elkülönített gőz, valamint a maradék visszanyerésével. Az eredeti elegy illékonyabb alkotórészei a gőzben, (gázfázisba), a kevésbé illékonyak a folyékony maradékban dúsulnak. Desztilláció általában olyan elgőzölögtetési művelet, amelyben a keletkező gőzt nyerik vissza, általában kondenzációval. A desztilláció tárgyalása előtt meg kell ismerkednünk a gőz-folyadék egyensúlyi viszonyokkal.

Az egyszerűség kedvéért a kétkomponensű (biner) elegyek desztillációjával foglalkozunk, ezért a biner elegy egyensúlyi viszonyait ismertetjük. Azokat a kétkomponensű elegyeket vizsgáljuk, amelyekben a cseppfolyós komponensek homogén oldatot alkotnak és minden arányban elegyednek. A homogén oldat nem szükségképpen ideális, de nem következnek be a maximális vagy minimális forráspontok komplikációi. Az A és B kétkomponensű elegy A komponensét fogjuk az illékonyabbnak tekinteni, azaz a tiszta A gőznyomása bármely hőmérsékleten nagyobb a tiszta B gőznyomásánál.

Kétkomponensű (K =2) rendszerekben, ha kémiai reakció nem játszódik le, a folyadék- és gőzfázis (F = 2) jelenlétében a fázisszabálynak megfelelően a rendszer szabadsági foka: Sz=K+2-F=2. Ebből az következik, hogy egyensúlyi állapotban a rendszer állapotát meghatározó paraméterek közül (nyomás, hőmérséklet, koncentráció) kettő választható meg szabadon.

Az elegy tiszta komponenseire vonatkozó gőz-folyadék egyensúly természetesen a gőznyomásuk és hőmérsékletük közötti összefüggés. A kétkomponensű elegyek esetében még egy további változóra, a koncentrációra kell tekintettel lennünk. A móltörtek a legalkalmasabb koncentrációkifejezések, és x, az illékonyabb A anyag móltörtje a folyadékban és y* az A megfelelő egyensúlyi móltörtje a gőzben.

A biner gőz-folyadék elegy jellemzésére előnyösen használhatók a fázisdiagramok. Az 4.1. ábrán egy ideális A-B elegy fázisdiagramjait mutatjuk be.

4.1. ábra - Gőz-folyadék rendszer egyensúlya.

4.1. Ábra. Gőz-folyadék rendszer egyensúlya.

Az ideális elegy követi a Rault-törvényt, vagyis a komponensek, jelen esetben az A komponens pA parciális nyomása a gőzfázisban arányos a komponens xA folyadékfázisbeli móltörtjével. Az arányossági tényező P0A a tiszta A komponens, adott hőmérséklethez tartozó, telített gőzének nyomása. A Rault-törvény mindkét komponensre:

(4.1)

A Dalton törvénynek megfelelően, ( vagyis) a parciális nyomások összege egyenlő az összes nyomással. Ideális esetben az A komponens pA parciális nyomása arányos a gőzfázisbeli yA móltörtjével, és az arányossági tényező a gőzfázis pö összes nyomása:

(4.2)

A lepárlási folyamatokat általában állandó nyomáson valósítják meg, ezért főleg az ilyen feltételek mellett szerkesztett fázisdiagramokat használjuk. A kétfázisú műveletek számítására az x-y diagramok az alkalmasabbak, ezért ezekkel a görbékkel adjuk meg az egyensúlyi összetételt. A (4.1) és (4.2) egyenletek adják a Rault-Dalton-törvényt, amely mindkét komponensre:

(4.3)

A móltörtek összege: yA+yB=1 , így a (4.3) egyenletekből

(4.4)

és

(4.5)

Adott hőmérséklethez tartozó P0A és P0B értékekhez, pö összes nyomáson a (4.5) és a (4.3) egyenletekkel kiszámíthatjuk az xA valamint az yAértékeket. A gőzfázis yA , és a folyadék fázis xA egyensúlyi összetételek közötti függvénykapcsolatot kifejezhetjük más módon is, ami alkalmasabb a számításra, ha definiáljuk az illékonyságot, mint a parciális nyomás és a móltört hányadosát, így A komponens illékonysága= pA/xA , és B komponens illékonysága= pB/xB A két illékonyságának hányadosa az α relatív illékonyságot adja:

(4.6)

A (4.6) egyenletben a parciális nyomásokat fejezzük ki a Rault-törvénnyel, (4.1) egyenlet:

(4.7)

Amennyiben P0A/P0B és α állandó, akkor az y és x értékei jobban számíthatók a következő összefüggések alapján. A relatív illékonyságot kifejezhetjük a móltörtekkel is, ha a (4.6) egyenletbe a parciális nyomások helyébe most a pA=pöyA és pB=pöyB (4.2) egyenlet szerinti összefüggéseket írjuk:

(4.8)

és

(4.9)

Két komponens esetén, yB=1-yA , és xB=1-xA , így

(4.10)

vagy

(4.11)

és

(4.12)

Az indexeket elhagyhatjuk, mert ugyanarra, az illékonyabb komponensre vonatkoznak. A (4.11) és a (4.12) egyenletek egyenlő szárú hiperbola egyenletei, ami ideális, vagy közel ideális elegyekre alkalmazhatók. Amennyiben az elegy nem ideális, akkor az x-y összetartozó értékeket táblázatosan adják meg.

A desztillációt is alapvetően két csoportba sorolhatjuk, szakaszos és a folyamatos desztilláció. A könnyebb kezelhetőség miatt a desztillációt és majd a rektifikációt is a folyamatos eljárással kezdjük. A továbbiakban csak az egyszerű folyamatos desztillációval és az egyensúlyi (flash) desztillációval valamint az egyszerű szakaszos vagy differenciális desztillációval, majd a rektifikálással foglalkozunk.