Ingineria proceselor de separareUNIVERSITATEA PETROL-GAZE PLOIEŞTI DEPARTAMENTUL INGINERIA PRELUCRĂRII PETROLULUI ŞI PROTECŢIEI MEDIULUI PROCESE DE TRANSFER DE MASǍ Prof. dr. ing. Florin Oprea Ianuarie 2014 1 Ingineria proceselor de separare SEMESTRUL 2 Specializarea: Ingineria protecţiei mediului în industrie Ianuarie 2014 2 Ingineria proceselor de separare CURS: 4 ore/săptămână Total 56 ore de curs – 28 cursuri LABORATOR: 3 ore/săptămână (OBLIGATORIU) Total 42 ore – 7 laboratoare obligatorii - lucrări practice de laborator - aplicaţii numerice Ianuarie 2014 3 Ingineria proceselor de separare Testări periodice .> Z + 1 penalizare 100% din notă Ianuarie 2014 4 .teme de casă: predate minim 90% pentru a obţine notare < 90% nota “0” Testele se predau la termenul anunţat (ziua Z): .teste curs: predate minim 90% pentru a obţine notare < 90% nota “0” .Z + 1 penalizare 10% din notă . Efectuarea tuturor lucrărilor de laborator .conform regulamentului nu se admite recuperarea în ultima săptămână decât a 30% din lucrările de laborator – Deci cu 2 lucrări neefectuate nu se intră în examen Ianuarie 2014 5 . Ingineria proceselor de separare Condiţii obligatorii de intrare în examenul final . aplicaţii numerice Condiţia de a promova examenul este a lua nota 5 la ambele componente ale probelor scrise finale Ianuarie 2014 6 .teorie . Ingineria proceselor de separare Examen scris cu două componente: . 67 4 Ianuarie 2014 9. media generalǎ fiind o medie ponderatǎ. Ingineria proceselor de separare Mod de notare: Teste curs 10% Activitate laborator + teme de casă 10% Prezenţǎ 20% Examen final 60% Pentru fiecare componentǎ se va da o notă (de la 0 la 10).22 9 7 . 3. Suciu – Ingineria prelucrării hidrocarburilor.2. principii şi metode de calcul. în G. Ingineria proceselor de separare Bibliografie obligatorie 1/2 • Gheorghe Sburlea – Echilibrul lichid – vapori. 1986 Ianuarie 2014 8 . Editura Tehnică. vol. cap. Editura Tehnică. 7. 1986 • Costică Strătulă – Fracţionarea. principii şi metode de calcul. 1985 • Costică Strătulă – Vaporizarea şi condensarea. 2. C. Editura Tehnică. 3. Editura Tehnică. cap. Editura Tehnică. 1987 Ianuarie 2014 9 . 1987 • Ion Precup şi Gheorghe Sburlea – Extracţia lichid – lichid.7.5. vol. C. Suciu – Ingineria prelucrării hidrocarburilor. C. 3. cap. Suciu – Ingineria prelucrării hidrocarburilor. C. în G. în G. vol.6. 3. 7. Suciu – Ingineria prelucrării hidrocarburilor. 7. Ingineria proceselor de separare Bibliografie obligatorie 2/2 • Constantin Taran – Absorbţia şi desorbţia. în G. 7. cap. vol. 1987 • Constantin Taran – Adsorbţia şi desorbţia. Editura Tehnică. C. Editura Tehnică. Editura Tehnică. cp. Ingineria proceselor de separare Bibliografie alternativă • Costică Strătulă – Procese de vaporizarea şi condensare. 1985 • Costică Strătulă şi Gheorghe Sburlea – Fracţionarea.4. Suciu – Ingineria prelucrării hidrocarburilor. 3. în G. Suciu – Ingineria prelucrării hidrocarburilor. vol. C. cap. 7. în G.3. vol. 2. 1985 Ianuarie 2014 10 . 7. (3) Troubleshooting Ianuarie 2014 11 . L. Ingineria proceselor de separare Bibliografie complementară • W. P. (2) Operation. C. M. F. Seader and E. Separation Process Principles. Z. Kister – Distillation – (1) Design. 2001 • J. Unit Operation of Chemical Engineering. D. 2001 • J. Smith. Chemical Engineering. Harriott. Inc. Richardson. Henley. J. 1998 • H.. J. Coulson and J. 1. 2 and 6. Butterworth and Heinemann. McGraw-Hill. McCabe. vol. John Wiley & Sons. Ingineria proceselor de separare ATENŢIE CHESTIONAR! TESTARE INIŢIALĂ Ianuarie 2014 12 . I do and I understand. Ingineria proceselor de separare I hear and I forget. Chinese philosopher & reformer (551 BC . I see and I remember. Confucius.479 BC) Ianuarie 2014 13 . Ingineria proceselor de separare Ianuarie 2014 14 . Ingineria proceselor de separare Ianuarie 2014 15 . Ingineria proceselor de separare Ianuarie 2014 16 . 1813 . Ianuarie 2014 17 .Primul taler tip sită (perforat) a fost dezvoltat de Aneas Coffey (în distileriile scoţiene de whiskey. 1822 . distilarea se practică de mii de ani.prima distilerie verticală a fost dezvoltată de Jean-Baptiste Cellier Blumenthall în Franţa – operare continuă. 1830 .primul taler cu clopoţei a fost introdus de Anthony Perrier în Anglia. 1820 . aplicaţiile timpurii utilizează vaporizarea şi condensarea brută.prima distilerie cu umplutură (bile de sticlă) a fost introdusă de Nicolas Clement. cel mai des sunt utilizate pentru concentrarea băuturilor alcoolice. Ingineria proceselor de separare Fundalul vaporizării şi fracţionării distilarea este o operaţie unitară antică. Ingineria proceselor de separare Ianuarie 2014 18 . Ingineria proceselor de separare Ianuarie 2014 19 . Ingineria proceselor de separare Ianuarie 2014 20 . Ingineria proceselor de separare Ianuarie 2014 21 . Ingineria proceselor de separare Ianuarie 2014 22 . Ingineria proceselor de separare Ianuarie 2014 23 . Ingineria proceselor de separare Ianuarie 2014 24 . Ingineria proceselor de separare Ianuarie 2014 25 . Ingineria proceselor de separare Ianuarie 2014 26 Ingineria proceselor de separare Ianuarie 2014 27 Ingineria proceselor de separare Ianuarie 2014 28 Ingineria proceselor de separare Ianuarie 2014 29 . Ingineria proceselor de separare Derosne’s still Ianuarie 2014 30 . Ingineria proceselor de separare 1893 prima carte despre FRACŢIONARE La Rectification de l'alcool Ernest Sorel Ianuarie 2014 31 . Ingineria proceselor de separare Începând din primul sfert al secolului XIX fracţionarea a devenit dintr-o unealtă de creştere a conţinutului de alcool al băuturilor în prima tehnică de separare din industrie. Expansiunea s-a accelerat din momentul în care fracţionarea a fost recunoscută ca modalitatea efectivă de transformare a ţiţeiului în diferite produse. Ianuarie 2014 32 . De aici s-a împrăştiat în întrega industrie chimică. Metoda McCabe-Thiele .Ecuaţile Fenske – Underwood – Gilliland . Ingineria proceselor de separare Repere din secolul XX .Metoda Sorel de calcul .metode numerice de calcul – calculatoare electronice Ianuarie 2014 33 . este fundamentală şi puţin probabil să fie înlocuită. Ingineria proceselor de separare De ce fracţionarea? Fracţionarea este operaţia de separare care a constituit şi va continua să fie principala metodă de separare în ciuda unei inerente eficienţe termodinamice scăzute. Motivele sunt atât CINETICE cât şi TERMODINAMICE. Primordialitatea şi proeminenţa fracţionării pentru separarea amestecurilor nu este accidentală. Ianuarie 2014 34 . Oricare alt proces de separare există solvenţi inerţi sau materiale solide prezente care micşorează fluxul. Ingineria proceselor de separare Din punct de vedere cinetic: În fracţionare transferul de masă pe unitatea de suprafaţă este limitat numai de rezistenţa la difuzie la interfaţa vapori – lichid în regim turbulent. fracţionarea are cel mai mare potenţial pentru transfer de masă ridicat ceea ce duce la costuri de capital reduse Ianuarie 2014 35 . Ca atare. Însă eficienţa termodinamică tipică în fracţionare este de aproximativ 10%. de departe fracţionarea este cel mai BUN proces de separare la momentul actual şi aşa va fi mult timp de acum încolo: . 36 . Ingineria proceselor de separare Din punct de vedere termodinamic: Termodinamica arată conceptual că realizarea unei separări ar necesita o energie minimă egală cu energia liberă Gibbs de amestec.Cele mai mari capacităţi. Ianuarie 2014 . Aceasta poate fi îmbunătăţită prin intercondensări interrefierberi Deşi eficenţa de 10% pare mică. Considerând cele două aspecte. nu prea multe alte procese de separare sunt mai eficiente.Cele mai mici costuri unitare. Thus. development of distillation devices will continue. FAIR. Ingineria proceselor de separare As we move through the 1980's. JAMES R. at least for the large scale process throughputs. with full recognition of the energy intensiveness of distillation. The result will be improved separation efficiency at lower pressure drop and lower cost. 1983 Ianuarie 2014 37 . we can expect to see relatively little displacement of distillation by alternative separation methods. DR. DR. FRITS J. 1988 Ianuarie 2014 38 . and it cannot be denied that their spatial arrangements often amounts to architectural beauty. Ingineria proceselor de separare Distillation is the most important and most visible separation technology. ZUlDERWEG. they represent the energy used in processing. but also visible are the smoke stacks of these industrial complexes. Less spectacular. The skyline of many refineries and chemical plants is dominated by tall distillation towers. the maJor part of which is consumed by distillation processes. It will remain the key separation method against which alternate methods must be judged. DR. will remain as the workhorse separations device of the process industries. distillation will sail into the future with clear skies and a strong wind. it attracts research and professional interest. Ingineria proceselor de separare Distillation. King in separations. Even though it is old in the art. with a relatively mature technology support base. Without question. 1990 Ianuarie 2014 39 . FAIR. JAMES R. Ingineria proceselor de separare Capitolul 1 Elemente de ingineria proceselor de separare Ianuarie 2014 40 . Ingineria proceselor de separare Ianuarie 2014 41 . omul nu poate “funcţiona” fără rinichi. Ingineria proceselor de separare 1. De ce atunci este necesar studiul separării amestecurilor? Separarea amestecurilor în constituenţii care le compun a fost o practică de milenii. parfumuri din plante. (2) evaporare .metalele din minereuri.1 Importanţa separărilor Trăim într-o lume a amestecurilor: hrana pe care o mâncăm. mai mult sau mai puţin complexe. Încă din era primitivă omul a dezvoltat tehnici. benzina pe care o consumă maşina noastră etc. care sunt o membrană capabilă să separe selectiv apa şi produşi reziduali ai metabolismului din sânge. Ianuarie 2014 42 .apa de mare în vederea obţinerii sării şi (3) distilarea băuturilor. de: (1) extragere . Mai mult chiar. separările au devenit cruciale în ingineria chimică. Ingineria proceselor de separare Mult mai recent. Ianuarie 2014 43 . Separările. care includ: imbogăţirea concentrarea purificarea rafinarea şi izolarea sunt importante atât pentru chimişti cât şi pentru inginerii chimişti. Inginerii chimişti sunt mai aplecaţi spre aspectele industriale de obţinere a produselor chimice. utilizând în acest scop metode economice aplicate la scară mare. tehnici asemănătoare metodelor de separare analitice (cum ar fi cromatografia). Ianuarie 2014 44 . Ingineria proceselor de separare Chimiştii utilizează tehnici preparative/separare la scară de laborator. În instalaţii industriale de mare capacitate inginerii chimişti separă aceleaşi amestecuri utilizând. Ingineria proceselor de separare O analogie poate fi sugerată prin exemplul următor: În laborator chimiştii separă şi analizează amestecuri de hidrocarburi uşoare prin cromatografie în faza gaz. Ianuarie 2014 45 . de exemplu. fracţionarea. Ca atare vom evidenţia fundamentele separărilor De notat: 50 … 90 % din capitalul investit în uzinele chimice este pentru echipamentele de separare. Ingineria proceselor de separare Separări Separări Separări analitice preparative industriale • scară redusă • scară redusă • scară mare • analiză cantitativă • materiale pentru CD (R&D) • economice Examplu: Examplu: Examplu: Cromatografia Centrifugarea Fracţionarea Lista diferitelor separări existente este nelimitată. Ianuarie 2014 46 . Ingineria proceselor de separare Totuşi: amestecarea este inerentă în natură: creşterea entropiei asociată cu caracterul aleatoriu al amestecului coboară energia liberă Gibbs. pentru a “de-amesteca/separa” o soluţie trebuie să învingem forţa motrice entropică de amestec. Ca atare. Ianuarie 2014 47 . Procese industriale de separare Ianuarie 2014 48 .2. Ingineria proceselor de separare 1. etc • operaţii auxiliare : nu implică schimbări în compoziţia chimică Exemple: pompe. Ingineria proceselor de separare Operaţiile sunt clasificate ca operaţii cheie şi auxiliare • operaţii cheie: implică reacţii sau separări Exemple: reactoare. fracţionǎri. compresoare. încălzitoare. etc Diagramele bloc (Block Flow Diagrams) indică: • operaţiile cheie cu dreptunghiuri şi • fluxurile cu linii Schemele tehnologice de proces (Process Flow Diagrams) indică procesele prin: • simboluri realiste ale echipamentelor de proces • include operaţiile auxiliare Ianuarie 2014 49 . Ingineria proceselor de separare BFD .Block Flow Diagram S ubproduse R eactor S eparator Materii prime Pr oduse R eci clu S epara resi puri ficare S eparatoare Ianuarie 2014 50 . vapori de apa reziduala de pe platforma Apa epurata P5 Cos de sau Coloana dispersie recirculata de spalare C1 si racire D1 P6 Vas tampon Ape reziduale Ianuarie 2014 V4 P7 la statia de epurare 51 . aer. Ingineria proceselor de separare Amestec de gaze. vapori de apa Acid sulfuric 10-98% PFD P3 Process V2 Vas Flow tampon Diagram P2 P1 Traductor de pH Aer Soda Vas de uzata de la tratare instalatie Abur Dispersoare V1 de abur si aer P4 Apa Amestec de gaze. aer. produse finite/comerciale. Ianuarie 2014 52 . rezidii/deşeuri. intermediari. Ingineria proceselor de separare Produsele implicate în aceste procese pot fi: materii prime minerale. materii prime de natură vegetală sau animală. Ingineria proceselor de separare Un proces chimic poate implica unul sau mai multe moduri de operare: discontinuu continuu semicontinuu Ianuarie 2014 53 . Ianuarie 2014 54 . sunt aceleaşi întotdeauna. principiile de bază ale proiectării pentru o metodă dată de separare. Ingineria proceselor de separare 1. De exemplu. principiile de bază ale fracţionării sunt aceleaşi. de exemplu. Ideea de bază este aceea că.3 Introducere în proiectarea proceselor O idee care a revoluţionat proiectarea şi operarea diferitelor procese a fost aceea de operaţie unitară. fie că separăm diferite hidrocarburi. deşi modul specific de proiectare poate varia în funcţie de ce produşi trebuie separaţi. fie că separăm etanol de apă. Ingineria proceselor de separare Ca atare. Mai mult. absorbţia. atât fracţionarea. pot fi numite operaţii unitare. şi deci proiectarea va fi similară ambelor operaţii unitare. extracţia etc. De exemplu. Ianuarie 2014 55 . metodele de proiectare pentru procese înrudite pot fi aceleaşi. cât şi absorbţia sunt operaţii bazate pe contactarea fazelor lichid-vapori. fracţionarea. planifică V .generalizează Ianuarie 2014 56 .cercetează şi gândeşte la ea IV .fă-o VI .vreau să pot face II .verifică VII .defineşte problema III . Ingineria proceselor de separare o strategie bazată pe şapte paşi I . Ianuarie 2014 57 . Cu cât mai multe probleme diferite rezolvi. Aminteşte-ţi mereu că vrei să înveţi cum să rezolvi probleme de inginerie chimică şi că o poţi face. Trebuie să-ţi aminteşti că eşti avansat în ingineria chimică deoarece poţi rezolva problemele. Ingineria proceselor de separare Pasul prim este un pas de motivare şi încredere. cu atât devii mai bun. Este foarte posibil. Descrie ce ai de făcut. că nu vei fi capabil să o rezolvi. Fii sigur că înţelegi clar toate cuvintele. Ingineria proceselor de separare În pasul II trebuie să defineşti problema. dacă nu ai definit clar problema. Ianuarie 2014 58 . Listează variabilele cunoscute şi restricţiile. Desenează sistemul şi etichetează părţile componente. redefineşte instrucţiunile problemei şi continuă. Ingineria proceselor de separare În pasul III cercetezi şi gândeşti problema. Ianuarie 2014 59 . Întoarce-te apoi la pasul I pentru a te asigura că încă priveşti problema în acelaşi fel. Ce ai de făcut într-adevăr? Care sunt principiile de bază pe care ar trebui să le aplici? Poţi găsi o soluţie limitativă simplă care îţi dă limita soluţiei actuale? Este problema sub-/supra-definită? Lasă-ţi mintea să se joace cu problema şi să o “mestece”. Dacă nu. hârtie. Teoriile specifice şi principiile trebuie selectate. Rezolvarea părţilor componente necesită resurse ca date. Ianuarie 2014 60 . În timp ce o faci. Ingineria proceselor de separare În pasul IV planifici cum să-ţi divizezi problema şi decizi care parte/părţi sunt atacate întâi. calculator. alegând metodele matematice corespunzătoare. noi subprobleme pot apare. Reîntoarce-te la secvenţele anterioare ale problemei pentru a soluţiona aceste subprobleme. poţi găsi că nu ai uneori suficiente date să rezolvi problema. numerele sunt introduse şi se generează rezultatele. este posibil să fii incapabil să termini acest pas. este adesea primul pe care cei fără experienţă încearcă să îl facă. reia algoritmul de la pasul II. Ingineria proceselor de separare Pasul următor (V) fă-o. În acest caz. Acum calculele matematice sunt efectuate. Dacă planul a fost incomplet. Ianuarie 2014 61 . Ingineria proceselor de separare În pasul VI verifică rezultatele. Ianuarie 2014 62 . de exemplu. coloanele industriale nu sunt înalte nici de 25 cm şi nici de 25 km. Pare rezultatul rezonabil? Poate că ai introdus numere greşite (“garbage in. revin-o la paşii anteriori şi rezolvă problema din nou. Este corect ordinul de mărime? În ultimă instanţă. garbage out”). Se poate găsi o alternativă de rezolvare care să verifice rezultatele? Dacă găseşti erori ori inconsistenţă. Generalizarea îţi permite să devii un bun rezolvator de probleme. este important dar adesea neglijat. Trebuie să înveţi cât mai mult posibil din această problemă. Ianuarie 2014 63 . Fenomenele particulare incluse au efect important sau pot fi ignorate. generalizarea.Ingineria proceselor de separare Pasul VII. Ingineria proceselor de separare Primii paşi nu te fac să te simţi confortabil. poate merge”. sunt mai bune în problemele dificile decât “porneşte calculul. Foloseşte apropierile sistematice. Ianuarie 2014 64 . Eşti tentat să porneşti calculul în loc de a defini cu grijă problema. Al treilea domeniu al cerinţelor priveşte bilanţurile de materiale şi energie şi echilibrele de fază. Sunt cerute întotdeauna materiale şi abilităţi pregătitoare: Prima cerinţă. Este o condiţie esenţială. În sfârşit. Cele mai multe probleme reale implică utilizarea lor. cere ajutor imediat. este aceea de a fi capabil de a citi bine. Dacă nu o faci. se cer abilităţi în operarea şi programarea calculatoarelor şi computerelor. Al doilea set de cerinţe implică abilităţi matematice. Trebuie să fie cunoscute algebra şi rezolvarea ecuaţiilor şi sistemelor de ecuaţii. Ianuarie 2014 65 .Ingineria proceselor de separare Nici o carte de inginerie nu există într-un vid prealabil. de multe ori sărită. A patra cerinţă este aceea de a avea abilităţi în rezolvarea problemelor matematice. Altă cerinţă importantă este analiza grafică ca şi trasarea liniilor şi curbelor. Ingineria proceselor de separare 1. Procesul invers. centrifugale. un amestec care trebuie separat apare ca o singură fază (solid. Mecanisme de separare Amestecarea substanţelor chimice pentru a forma amestecuri este un proces spontan care este însoţit de creşterea entropiei. magnetice) şi apoi. separarea amestecurilor în constituenţi substanţe chimice. Ianuarie 2014 66 . lichid sau gaz). Atunci când sunt prezente mai multe faze. el necesită un consum de energie. În general. acestea sunt adesea separate utilizând procedee mecanice (gravitaţionale. reducere de presiune) sau apelând la câmpuri exterioare (electrice.4. nu este un proces spontan. tehnici corespunzătoare de separare pentru fiecare fază separată. Ingineria proceselor de separare Reamintiţivă că există o forţă motrice “infinită” asociată cu îndepărtarea ultimului atom de impuritate dintr-o substanţă pură Extinderea separării va fi limitată de ECHILIBRUL TERMODINAMIC Ianuarie 2014 67 . Ingineria proceselor de separare Produs 1 Amestec de alimentare pentru separare .. Produs 2 Produs N-1 Produs N Ianuarie 2014 68 Ingineria proceselor de separare Faza1 Faza1 Alimentar e Alimentar e Cr ear e defaza Faza2 AMS Faza2 ( a) Faza1 ( b) Alimentar e Bar ier a Faza2 ( c) Faza1 Alimentar e Faza1 Alimentar e Cmi pde for tesau gradient Faza2 Faza2 ( d) ( e) Tehnici generale de separare: (a) separare prin crearea unei noi faze; (b) separare prin adăugarea unui agent material de separare (AMS); (c) separare printr-o barieră (membrană); (d) separare prin utilizarea unui agent solid; (e) separare prin utilizarea unui câmp de forţe sau gradient Ianuarie 2014 69 Ingineria proceselor de separare 1.4.1 Separări prin crearea de faze sau adăugarea unei noi faze Atunci când alimentarea este constituită dintr-o singură fază (fie ea gazoasă, lichidă sau solidă) cea de a doua fază, nemişcibilă, trebuie formată/introdusă pentru a realiza separarea componenţilor. Procesul poate avea loc prin două procedee: prin intermediul unui agent energetic de separare (AES); prin adăugarea unui agent material de separare (AMS). Primul caz implică transfer de căldură sau/şi transfer de lucru mecanic spre/de la amestecul de separat. O alternativă ar fi apariţia unei faze vapori prin reducerea presiunii. Ianuarie 2014 70 separarea lor este realizată sub influenţa gravitaţiei sau prin intermediul altor câmpuri de forţe. După ce fazele au fost în contact. AMS-ul poate fi miscibil cu una din fazele existente (şi în urma acţiunii unui AES).Ingineria proceselor de separare Un AMS poate fi parţial miscibil cu unul sau mai mulţi componenţi ai amestecului. frecvent acesta rămânând componentul aflat în cea mai mare proporţie în faza adăugată. cele două faze odată create. prin contactul intim al lor. Acest tip de acţiune poate fi întâlnit în fracţionarea extractivă. În principiu. se îmbunătăţeşte transferul de masă astfel încât se poate ajunge mai repede în apropierea echilibrului termodinamic. în acest caz alterând volatilitatea relativă a unuia sau a mai multor componenţi. Ianuarie 2014 71 . Alternativ. Ingineria proceselor de separare Fază iniţială Operaţia de Fază adăugată sau Agent de Aplicaţii Simbolizare sau de ali- separare creată separare industriale mentare Recuperarea H2 şi Vaporizare/ N2 din amoniac prin Vapori şi/sau Transfer de condensare Lichid sau vapori condensare parţială lichid căldură (AES) parţială şi separarea fazelor la înaltă presiune Vaporizare Reducerea Recuperarea apei la echilibru Lichid Vapori presiunii din apa de mare adiabatică AMS L Solvent lichid Fracţionare Vapori şi/sau Separarea acetonei V/L Lichid şi vapori (AMS) şi transfer extractivă lichid şi metanolului de căldură (AES) L Ianuarie 2014 72 . Ingineria proceselor de separare Fază iniţială Operaţia de Fază adăugată sau Agent de Aplicaţii Simbolizare sau de ali- separare creată separare industriale mentare V AMS Îndepăratrea Absorbant lichid etanului şi a Absorbţie cu V/L Vapori şi/sau Lichid şi vapori (AMS) şi transfer hidrocarburilor cu refierbător lichid de căldură (AES) mase moleculare mici din GPL L V Separarea AMS dioxidului de carbon din Lichid absorbant Absorbţie Vapori Lichid combustie prin (AMS) V absorbţie în soluţii apoase de L etanolamine Striapare cu abur a V benzinei. L motorinei în Vapori pentru stripere laterale de Stripare Lichid Vapori stripare (AMS) la distilarea AMS atmosferică pentru L îndepărtarea V (V) fracţiilor uşoare L/(S) S Gaz (AMS) şi/sau Uscarea PCV cu aer Lichid şi adesea Uscare Vapori transfer de cald în strat solid căldură (AES) fluidizat Ianuarie 2014 73 . petrolului. Ingineria proceselor de separare Fază iniţială Operaţia de Fază adăugată sau Agent de Aplicaţii Simbolizare sau de ali- separare creată separare industriale mentare L/V Vapori pentru Stripare cu AMS Separarea V/L Vapori şi/sau stripare (AMS) şi abur şi cu Lichid şi vapori produselor de la lichid transfer de reflux AMS cocsarea întârziată căldură (AES) L V L Recuperarea Stripare cu Transfer de Lichid Vapori aminelor refierbător căldură (AES) absorbante L AMS recirculat Separarea acidului L Lichid antrenant acetic de apă Fracţionare Vapori şi/sau V/L Completare Lichid şi vapori (AMS) şi transfer utilizând ca azeotropă AMS lichid de căldură antrenant acetatul de butil L Ianuarie 2014 74 . Ingineria proceselor de separare Fază iniţială Operaţia de Fază adăugată sau Agent de Aplicaţii Simbolizare sau de ali- separare creată separare industriale mentare L’ AMS Extracţie Solvent lichid Recuperarea Lichid Lichid lichid-lichid (AMS) aromaticelor L’ L’‘ L Utilizarea AMS-1 propanului şi a Extracţie Doi solvenţi acidului cresilic ca lichid-lichid L Lichid Lichid lichizi (AMS1 şi solvenţi pentru cu doi AMS-2 AMS2) separarea solvenţi parafinelor de L aromatice şi naftene Evaporarea apei din Transfer de Evaporare Lichid Vapori soluţiile apoase de căldură (AES) uree Cristalizarea para- L Transfer de xilenului din Cristalizare Lichid Solid (şi vapori) căldură (AES) amestecul cu meta- xilenul Ianuarie 2014 75 . Ingineria proceselor de separare Fază iniţială Operaţia de Fază adăugată sau Agent de Aplicaţii Simbolizare sau de ali- separare creată separare industriale mentare Recuperarea Transfer de anhidridei ftalice Desublimare Vapori Solid căldură (AES) din gazele necondensabile S L AMS Extracţia zahărului Extracţie Solid Lichid Solvent lichid din sfeclă de zahăr lichid-solid S cu apă caldă V L Separare Recuperarea Barbotare de gaz fracţionată Lichid Gaz detergenţilor din (AMS) spume AMS apele reziduale Ianuarie 2014 76 . Ianuarie 2014 77 .4.Ingineria proceselor de separare 1. în ultima vreme câştigă teren o nouă categorie de procese care utilizează membrane poroase sau neporoase ca bariere semipermeabile. De aceea cercetările din ultima vreme au condus la dezvoltarea unor noi procese cu unele rezultate mai performante în anumite domenii specifice de aplicabilitate. Astfel.2 Separarea prin membrane Sunt numeroase cazurile în care utilizarea unuia sau a altuia sau a unor combinaţii dintre precedentele procedee nu duce la rezultatele aşteptate din punct de vedere al purităţii şi/sau gradelor de recuperare sau din punct de vedere al consumurilor energetice. într-o mare diversitate de forme (plate. Ianuarie 2014 78 . tubulare. uneori fiind şi în stare lichidă). Membranele poroase separă pe baza diferitelor viteze de difuzie în timp ce membranele neporoase separă pe baza diferenţelor de solubilitate şi a diferenţelor în vitezele de difuzie în materialul membranei. plate înfăşurate). ceramice.Ingineria proceselor de separare Membranele se fabrică dintr-o mare diversitate de materiale (fibre naturale. polimeri sintetici. metale. Ingineria proceselor de separare Operaţia de Fază iniţială sau Simbolizare Agent de separare Aplicaţii industriale separare de alimentare Osmoză Lichid Membrană neporoasă L L Membrană neporoasă cu Osmoză inversă Lichid Desalinizarea apei de mare L gradient de presiune L L Membrană poroasă cu Recuperarea sodei din Dializă Lichid L gradient de presiune hemiceluloză L L Membrană microporoasă cu Îndepărtarea bacteriilor din apa Microfiltrare Lichid L gradient de presiune de băut Ianuarie 2014 79 . Ingineria proceselor de separare Operaţia de Fază iniţial ă sau Simbolizare Agent de separare Aplicaţii industriale separare de ali mentare L L Membrană microporoasă cu Ultrafiltrare Lichid Separarea zeru lui d in brânză L gradient de presiune L L Membrană neporoasă cu Separarea amestecurilor Pervaporare Lichid V gradient de presiune azeotrope V V Permeaţie de Membrane neporoase cu Vapori Îmbogăţire în hidrogen gaze V gradient de presiune V/L V/L Membrane Membrane lich ide cu Îndepărtarea hidrogenului Vapori şi/sau lichid lich ide V/L gradient de concentraţie sulfurat Ianuarie 2014 80 . sub formă de material granular sau umplutură.Ingineria proceselor de separare 1. Aceşti agenţi. În timp adsorbantul se saturează cu speciile adsorbite.4. fiind necesară regenerarea sau înlocuirea periodică. acţionează fie ca un suport pentru un strat subţire de adsorbat fie intră în reacţie chimică cu diferiţii componenţi ai amestecului de alimentare.3 Separarea pe agenţi solizi Separările care utilizează agenţi solizi de separare sunt prezentate în tabelul următor. Ianuarie 2014 81 . Ingineria proceselor de separare Fază iniţială Ope raţia de Agent de Simbolizare sau de Aplicaţii industriale separare separare alimentare V/L V/L Vapori sau Purificarea para- Adsorbţie Adsorbant solid lichid xilenului V/L V/L Adsorbant solid Vapori sau sau adsorbant Separarea izo merilor Cromatografie xilenului şi a lichid lichid pe suport etilbenzenulu i V/L solid L L Răşini Schimbători de Lichid schimbătoare de Demineralizarea apei ioni ioni L Ianuarie 2014 82 . 4.4 Separarea în câmpuri de forţe exterioare Moleculele şi ionii pot răspunde în moduri diferite la acţiunea unor forţe. Ianuarie 2014 83 .Ingineria proceselor de separare 1. câmpuri de forţe sau gradienţii acestora. Această proprietate poate fi utilizată la separarea diferitelor specii moleculare. Ingineria proceselor de separare Ope raţia de Fază iniţială sau de Câmp de forţe sau gardient Aplicaţii industriale separare alimentare Separarea izotopilor Centrifugare Vapori Câmp de forţe centrifugal uraniului Separarea izotopilor Difuzie termică Vapori sau lichid Gradient de temperatură clorului Concentrarea apei Electroliză Lichid Câmp de forţe electrice grele Câmp de forţe electrice şi Desalinizarea apei Electrodializă Lichid membrană de mare Recuperarea Electroforeză Lichid Câmp de forţe electrice hemicelulozei Ianuarie 2014 84 . Ingineria proceselor de separare Florin Oprea Procese neconvenţionale de separare .volumul 1 şi volumul 2 Ianuarie 2014 85 . Ingineria proceselor de separare 1.5 Elemente de cuantificare a performanţelor unui proces de separare 1.1 Puritate şi recuperare Ianuarie 2014 86 .5. debitul parţial masic/molar (F ) în alimentare.Ingineria proceselor de separare Orice proces de separare se supune legii conservării masei. pentru orice component i dintr-un amestec de C componenţi. i este suma tuturor alimentărilor. este egal cu suma debitelor parţiale masice/molare ale acelui component în cele N produse/faze p: N n (F ) i ni( p ) ni(1) ni( 2) ni( N 1) ni( N ) (1-1) p 1 Pentru a rezolva ecuaţiile (1-1). Atunci când într-un (F ) n proces sunt implicate mai multe fluxuri de alimentare. Ianuarie 2014 87 . Ca atare. respectiv a obţine valorile ni( p ) pornind de la valorile ni( F ) sunt necesare suplimentar N- 1 ecuaţii independente care implică ni( p ) . dacă nu are loc o reacţie chimică iar procesul este continuu şi în regim staţionar atunci. ni . Rezultă astfel un număr de NC ecuaţii în NC necunoscute. F. indicii superiori referindu-se la cele două produse. sau la celălalt produs. ca în ecuaţia (1-3). 1 sau 2 şi la alimentare. Astfel: ni(1) (1-2) SFi1/ F (F ) Fracţia de tăiere/splitare sau grad de recuperare ni ni(1) SFi (1-3) SR11/ 2 ( 2) Raport de tăiere/splitare ni 1 SFi Ianuarie 2014 88 . Ingineria proceselor de separare Proiectarea şi operarea diferitelor echipamente de separare se face ţinând cont de recuperările componenţilor şi de puritatea produselor dorite. numindu-se raport de tăiere. ca în ecuaţia (1-2). Gradul de separare al unui component i într-unul dintre cele două produse separate raportat la alimentare. numindu-se fracţie de tăiere sau grad de recuperare. Ingineria proceselor de separare Atât pentru fiecare aparat de separare. ca raport dintre debitul parţial al componentului respectiv în fluxul în care acesta se obţine majoritar şi debitul parţial al aceluiaşi component în alimentare. cât şi pentru o succesiune de aparate. O altă mărime ce poate cuantifica performanţele unei separări este puritatea produsului/produselor obţinute. se poate calcula gradul de recuperare al unui component (adesea procentual). Ianuarie 2014 89 . Atât gradul de recuperare (în diferite forme de exprimare) cât şi puritatea produselor sunt utilizate şi în conducerea proceselor ca specificaţii (mărimi de intrare) astfel încât să se obţină produsele cerute cu consumuri energetice cât mai scăzute. Ianuarie 2014 90 . în care se poate realiza o separare relativ adâncă între doi componenţi (cheie). De exemplu. pentru o coloană de fracţionare unde alimentarea se face aproximativ în zona de mijloc a coloanei.2 Putere de separare În cele mai multe cazuri este necesar să se facă o separare cât mai netă între doi sau mai mulţi componenţi ai unui amestec. alte proprietăţi ale componeţilor cheie. gradul de recuperare şi puritatea depind de o serie de factori ca: debitele/cantităţile relative ale componenţilor în amestec. numărul de echilibre (talere teoretice) şi configuraţia acestora. câte una de fiecare parte a talerului de alimentare.5.Ingineria proceselor de separare 1. fiecare dintre cele două secţiuni fiind responsabilă de recuperarea a câte unui component. se pot distinge două zone. proprietăţile termodinamice şi de transfer de masă. Gradul de separare. în oricare dintre cele două forme prezentate mai sus. i şi j. SPi . j . j (1) ( 2 ) Putere de separare (1-4) Cj Cj Puterea de separare. poate fi definită şi în funcţie de raportul de tăiere şi de fracţia de tăiere: SRi SFi SFj SPi . fie ca moli şi mase raportate la unitatea de volum: Ci(1) Ci( 2 ) SPi . numită şi factor de separare. în cele două secţiuni ale coloanei.Ingineria proceselor de separare Pentru un astfel de echipament se poate defini puterea de separare sau raportul de tăiere relativ. compoziţiile putând fi exprimate fie ca fracţii molare sau masice. j SR j 1 SFi 1 SFj (1-5) Ianuarie 2014 91 . funcţie de compoziţiile celor doi componenţi. 00 144. kmol/h Component Alimentare Produs 1 Produs 2 Produs 3 Etilbenzen 150.45 226.30 425.10 0.90 188. 1 – se efectuează la curs Se dau: Debit.00 3.Ingineria proceselor de separare Testul nr.00 Para xilen 190.00 0.55 Ianuarie 2014 92 .00 Meta xilen 430.00 1.00 4.00 0.00 6.00 Orto xilen 230.70 0. SF Component Alimentare Produs 1 Produs 2 Produs 3 Etilbenzen Para xilen Meta xilen Orto xilen Ianuarie 2014 93 .Ingineria proceselor de separare Se cere factorul de tăiere/splitare Factor de tăiere/splitare (grad de recuperare). fracţie molară Component Alimentare Produs 1 Produs 2 Produs 3 Etilbenzen Para xilen Meta xilen Orto xilen Total Ianuarie 2014 94 .Ingineria proceselor de separare Se cere concentraţia componenţilor în fiecare flux Concentraţie componenţi. 00 1. 2 – se efectuează la curs Debit.00 144.10 Ianuarie 2014 95 .Ingineria proceselor de separare Se dau: Testul nr. kmol/h Component Alimentare Produs 1 Produs 2 Etilbenzen 150.00 6.00 Para xilen 190.90 188. SR Component Alimentare Produs 1 Produs 2 Etilbenzen Para xilen Ianuarie 2014 96 .Ingineria proceselor de separare Se cere raportul de tăiere SR Raport de tăiere/splitare. Ingineria proceselor de separare Se cere puterea de separare SP Puterea de separare SP Component Alimentare Produs 1 Produs 2 Etilbenzen Para xilen Ianuarie 2014 97 . 98 .Ingineria proceselor de separare 1. temperatură. Dacă sunt de separat mai mult de doi componenţi atunci în mod obligatoriu sunt mai mult de două operaţii de separare. Ianuarie 2014 stare de agregare/condiţia termică. Alegerea unuia sau altuia dintre multitudinea de procese de separare se face pe baza unor criterii care pot fi grupate în patru mari categorii: Condiţiile alimentării: compoziţie. Chiar şi în cazul separării amestecurilor binare se apelează uneori la mai multe procese.6 Alegerea proceselor de separare fezabile Alegerea unui proces de separare are loc adesea dintr-o listă de procese fezabile. debit. un hibrid fiind mai avantajos din punct de vedere economic. presiune. Ianuarie 2014 99 . temperatură.Ingineria proceselor de separare Condiţiile impuse produselor: purităţi cerute. presiune. stare de agregare. Ingineria proceselor de separare Proprietăţile ale căror diferenţe pot fi folosite în separare: moleculare. de transport Ianuarie 2014 100 . termodinamice. presiune şi stări de agregare. limitaţii ale capacităţii.Ingineria proceselor de separare Caracteristicile operaţiilor de separare: uşurinţă în trecerea la scară/mărirea capacităţii. uşurinţă în realizarea proceselor succesive. cerinţe de temperatură. consum de energie. Ianuarie 2014 101 . În figură se Re n i n a prezintă corelaţia 3 Ag dintre costul unui 2 Pe n i ci l i n a Co proces şi 1 Hg Aci d concentraţia ci tri c Ni 0 Cu componentului -1 Zn dorit în materia 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 primă. $ /l b alimentare al 5 In su l i n a componentului 4 dorit. L g fra cti e ma si ca Ianuarie 2014 102 .Ingineria proceselor de separare 9 Din prima Uro ch i n a za 8 categorie cel mai 7 Fa cto r important factor VIII L u ci fe ra za este conţinutul în 6 Lg p ret. Proprietate moleculară Proces de separare realizat pe baza proprietăţii mărime microfiltrare (MF) ultrafiltrare (UF) dializă separări de gaze (GS) cromatografie de permeaţie de gel presiune de vapori distilare distilare prin membrane (MD) punct de congelare cristalizare afinitate (activitate) chimică extracţie absrobţie adsorbţie hiperfiltrare (HF/RO) separări de gaze (GS) pervaporare (PV) cromatogarfie încărcare electrostatică schimb ionic electrodializă (ED) electroforeză densitate centrifugare Ianuarie 2014 natura chimcă complexare 103 membrane lichide (LM) .Ingineria proceselor de separare Proprietăţile (moleculare) care permit realizarea unuia sau a altuia dintre procesele de separare sunt extrem de diverse. În tabelul sunt prezente câteva dintre acestea. Orice clasificare nu poate fi decât parţială. Ingineria proceselor de separare În decursul timpului au apărut şi s-au dezvoltat Asi mptota uti l i zari i Fracti onare o serie de Absorbti e tehnici/procese de Fracti onare separare care au ajuns azeo/extracti va Cri stal i zare la o maturitate Extracti e tehnologică. i nducere de ci mp Separari pe baza Acest lucru reiese foarte Pri ma afi ni tati i chi mi ce apl i cati e bine din corelaţia Inventi e Asi mptota Maturi tate tehnol ogi ca tehnol ogi ca prezentată în figură. l i chi d) ajungă la un grad supercri ti ci Cromatografi e de l i chi d ridicat de utilizare în Membrane l i chi de Separari pri n aplicaţiile comerciale. gaz) sol venti Membrane (al i m. gaz) apărut de foarte mult Adsorbti e (al i m. Ianuarie 2014 104 . nereuşind să Extracti e cu Membrane (al i m. Altele au Maturitatea utili zari i Schi mbatori cu sol venti de i oni Adsorbti e (al i m. gaz) timp. Operaţii în ordinea Uşurinţă în realizarea Capacităţi paralele descrescătoare a unor operaţii succesive uşurinţei în transpunerea la scară Fracţionare Uşor Nu sunt necesare Absorbţie Uşor Nu sunt necesare Fracţionare extractivă şi Uşor Nu sunt necesare azeotropă Extracţie lichid-lichid Uşor Uneori Membrane Este necesară Aproape mereu represurizarea între etape Adsorbţie Uşor Numai pentru ciclul de regenerare Cristalizare Nu aşa de uşor Uneori Uscare Nu convine Uneori Ianuarie 2014 105 . în tabel se prezintă cele mai deosebite aspecte apărute la punerea în practică a unei anumite separări prin una dintre operaţiile cunoscute.Ingineria proceselor de separare Aspectele legate de proiectarea şi realizarea practică a unui proces au şi ele importanţa lor. De aceea.
Report "1 IPM PTM Introducere Procese de Separare 2014"