Ugrás a tartalomhoz

Diffúziós műveletek

Dr. Gulyás Lajos (2011)

1.3. Az anyagátadási műveletek megvalósításának módjai

1.3. Az anyagátadási műveletek megvalósításának módjai

A diffúziós műveletek megvalósításának van néhány jellemző módja. Ezektől a módoktól nagymértékben függ az elért szétválasztás és az alkalmazott berendezés típusa. A diffúziós műveletek legfontosabb jellemzője a fázisok áramlási állapota, ami lehet időben állandósult, más néven stacionárius vagy időben nem állandósult úgynevezett instacionárius. Mindezek alapján megkülönböztetünk szakaszos és folyamatos műveleteket. A folyamatos művelet a fázisok érintkezésének módja szerint lehet fokozatszerű vagy folytonos.

1.3.1. Szakaszos műveletek

Az instacionárius vagy nem állandósult állapotú műveletekre jellemző, hogy a műveleti egységet alkotó készülékben az egyes fázisok koncentrációi időben változnak. A szakaszos folyamatban a koncentrációváltozás függvénye az időnek, de nem függvénye a helynek. A folyamat során a szétválasztandó anyagot egyszerre beadagolják a készülékbe, a szeparációs folyamat az idő függvényében lejátszódik, majd a szétválasztott anyagokat elvezetik a készülékből. A szakaszos művelet tehát három részfolyamatból áll, a beadagolás vagy sorzsírozás, az anyagátadás és az ürítés. Például egy szakaszos művelet az ismeretes laboratóriumi extrakciós eljárás, amelyben egy oldatot egy vele nem elegyedő oldószerrel választótölcsérben érintkeztetünk. Azért szakaszos a művelet, mert a folyadékok betöltése után az edénybe nem lép sem be, sem ki folyadék egészen addig, míg a művelet be nem fejeződik. Az extrakció folyamán az oldott anyag átdiffundál az anyaoldatból az oldószerbe, tehát mindkét fázis koncentrációja időben változik, és ha az érintkezés ideje elég hosszú, az egyensúly beáll. A lehetséges maximális koncentrációváltozás akkor következik be, amikor a fázisok egymással egyensúlyba jutottak. A gyakorlatban a művelet az egyensúly beállta előtt is megszakítható. A teljes műveletre azt mondhatjuk, hogy az egy fokozattal egyenértékű. Minden diffúziós művelet kivitelezhető ezzel az egyfokozatú általános módszerrel.

A félfolyamatos műveletekben az egyik fázis áll, míg a másik folyamatosan átáramlik a rendszeren. Példaként felhozhatunk egy szárítót, amelybe egy bizonyos mennyiségű nedves szilárd anyagot helyezünk, a levegőáram pedig folyamatosan áramlik be és ki, és elszállítja az elpárolgott nedvességet. A nedvesség koncentrációja a szilárd anyagban és a távozó levegőben természetesen időben változik. Végül, ha elegendő idő áll rendelkezésre, az álló fázis egyensúlyba kerül a beáramló fázissal, és a művelet egy többfokozatú művelettel válik egyenértékűvé. Ilyen módon a maximális hatás érhető el.

1.3.2. Folyamatos műveletek

A stacionárius vagy állandósult állapotú műveletek jellemzője, hogy a koncentrációk a rendszer bármely pontján időben nem változnak. Ez megköveteli, hogy valamennyi fázis folyamatosan és változatlan sebességgel áramoljon a rendszerbe és onnan ki, valamint az áramlási viszonyok a rendszerben állandóak legyenek. Ezeket a műveleteket folyamatos műveleteknek nevezzük, és jellemző rájuk, hogy a folyamatban a koncentrációváltozás a hely függvényében változik, de független az időtől. A folyamatos műveleti egységeket csoportosíthatjuk aszerint, hogy milyen az egyes fázisok áramlási iránya.

1.3.2.1. Folyamatos műveleti egységek csoportosítása az áramlás iránya szerint

A műveleti egységen belül, az egyes fázisok egymáshoz viszonyított áramlás iránya lehet egyen-, ellen- és keresztáramú.

Egyenáram esetén a fázisok egyező irányban haladnak végig a készülékben, ugyanazon a helyen lépnek be és ki. A maximálisan elérhető változás a koncentrációk tekintetében megegyezik a szakaszos művelet eredményével. A hajtóerő a belépési ponttól a kilépési pontig fokozatosan csökken. Amennyiben a fázisok elég hosszú ideig érintkeznek, a kilépési pontban a hajtóerő elvben elérheti a nulla értéket, ami egyenáramú művelet esetében az egyensúly beálltát jelenti. A maximális koncentrációváltozás a kilépési pontban megfelel a kilépő fázisok egyensúlyának. A művelet csak egy fokozattal egyenértékű.

Ellenáramban az érintkező fázisok egymással ellenkező irányban áramlanak a készülékben. Gázabszorpció esetén például a tisztítandó gáz alulról fölfelé áramlik a kolonnában, míg a mosófolyadék fentről lefelé áramlik. A hajtóerő a készülék hossza mentén lehet állandó, csökkenhet vagy akár nőhet is. A művelet több fokozattal lehet egyenértékű.

Keresztáramban a fázisok áramlási iránya egymásra merőleges. Ilyen például egy keresztáramú folyadék extrakció, ahol a raffinátum és az oldószer áramlása keresztirányú. Mindhárom módszerrel azonos koncentrációváltozás érhető el akkor, ha a fázisok egyikének a koncentrációja nem változik, például ha tiszta gázt oldunk folyadékban.

1.3.2.2. Fokozatszerű és folytonos műveletek

A folyamatos műveleti egységeket csoportosíthatjuk aszerint, hogy műveleti egységen belül a koncentrációt leíró függvény szakadásosan vagy folytonosan változik. Ezek alapján a folyamatos műveleti egységek lehetnek fokozatszerű- és folytonos műveletek. Ha két, egymással nem elegyedő fázist olyan módon érintkeztetünk, hogy a diffundáló komponensek megoszlása létrejöjjön, utána pedig a fázisokat mechanikailag szétválasztjuk, az egész műveletet egy fokozatból állónak, vagy egyfokozatúnak nevezzük. Példaként megemlíthetjük a már említett szakaszos laboratóriumi extrakciót egy választótölcsérben. Ez az extrakció folyamatosan is elvégezhető, ha több fokozatot állítunk be úgy, hogy a fázisokat ismételten mindegyik fokozatban egyszer összekeverjük és szétválasztjuk. Az egész többfokozatú berendezést kaszkádnak nevezzük. A fázisok haladási iránya a kaszkádon belül lehet egyen-, ellen- vagy keresztáramú. Az egyes fokozatok hatékonyságának mértéke az ideális vagy elméleti fokozat vagy elméleti tányér. Az elméleti fokozatra az jellemző, hogy az egyes fokozatokból kilépő fázisok egymással egyensúlyban vannak, tehát az érintkezési idő meghosszabbításával sem lehet további koncentrációváltozást elérni. Az egyes fokozatokban mennyire sikerült megközelíteni az egyensúlyt, a fokozathatásfok fejezi ki.

A folytonos érintkezéssel a műveletekben a fázisok az egész berendezésben folytonos érintkezésben áramlanak, nincsen ismételt fizikai szétválasztás és összekeverés. Ezzel a módszerrel csak félfolyamatos vagy állandósult állapotú műveletek végezhetők. Az elérhető koncentrációváltozás széles tartományú, megfelelhet egy elméleti fokozatnál kisebbnek, vagy több elméleti fokozatnak is. A fázisok a készülék bármely adott helyén nincsenek egymással egyensúlyban, viszont ha a rendszerben valahol mégis egyensúly állna be, akkor a művelet végtelen sok fokozat hatásával lenne egyenértékű.

A fokozatszerű és a folytonos érintkezéssel végbemenő műveletek között lényeges különbség van. A fokozatszerű művelet esetében lehetővé tesszük, hogy az anyag a fázisok közötti diffúziós áramlásával csökkentse az áramlást létrehozó koncentrációkülönbséget. Ha a folyamathoz elegendően hosszú idő áll rendelkezésre, akkor az egyensúly beáll és ezután a diffúziós áramlás megszűnik. A diffúzió sebessége és a rendelkezésre álló idő tehát minden egyes esetre meghatározza az elérhető fokozathatásfokot. Ezzel szemben a folytonos érintkezésű műveletek esetében az egyensúlytól való eltérést szándékosan fenntartjuk, így a fázisok között a diffúziós áramlás megszakítás nélkül mehet végbe. A különböző módszerek közül melyik előnyösebb, bizonyos mértékig a gyakorlatilag megvalósítható fokozathatásfoktól függ. A nagy fokozathatásfok viszonylag olcsó berendezést jelenthet, amelynek teljesítménye megbízhatóan számítható. A kis fokozathatásfok a folytonos érintkezésű módszereket helyezi előtérbe a költség és a megbízható működés szempontjából.