CHEM-A2100. Oppimistavoite. Absorptio. Tislaus, haihdutus, flash. Faasitasapainot

Transkriptio

1 Omstavote CHEM-A21 Faastasaanot 1 Ymmärtää mhn faastasaanoa tarvtaan Ymmärtää faastasaanoen matemaattsen kuvauksen alkeet (höyry-neste & neste-neste; deaal & aktvsuuskerron) Ymmärtää kvaltatvsest erlasa faasdagrammea Osata löytää tasaanotosuuksa, lämötloa a aneta dagrammen avulla Osata rtää dagrammea termodynaamsten mallen avulla 2 Tslaus, hahdutus, flash Höyry aasu Absorto Neste Neste Tonen faas muodostetaan Lämmttämällä Jäähdyttämällä Panetta alentamalla Tonen faas muodostetaan Nestettä lsäämällä 3 4 1

2 Uutto teytys Neste Tonen faas muodostetaan Tosta nestettä lsäämällä Neste Neste nteä och Modular Process Systems, LLC. 5 nteä faas muodostetaan äähdyttämällä hahduttamalla lsäämällä otan anetta 6 Adsorto Neste ta kaasu Tonen faas muodostetaan nteää faasa lsäämällä Esmerkk? Mks faast akautuvat a taahtuu erottumsta? Tasaanossa koko systeemn Gbbsn energa on mnmssään el faast ovat tostensa kanssa tasaanossa. Jokasen komonentn kemallnen otentaal on yhtä suur kakssa faasessa. Tähän tlaan luonto yrk. nteä Saattamalla sovat faast kontaktn tostensa kanssa tätä vodaan hyödyntää komonentten erottamsessa

3 Erotusrosessen suunnttelu Tasaanovako ta akaantumskerron Faastasaanoen sanallnen kuvalu e rtä. Ntä tää ystyä kuvaamaan rttävän lähellä todellsuutta olevlla matemaattslla mallella, otta erotuslatteden tomntaa vodaan ennustaa a ntä vodaan suunntella. a Mtä nämä kuvasvatkaan? 9 1 Tasaanovako ta akaantumskerron Jakaantumskerron kuvaa stä, kunka herkäst tarkasteltava komonentt kertyy faasn verrattuna faasn. Erotustekä a Tettyen komonentten erottumsessa on oleellsta vertalla näden komonentten suhteellsta akaantumsta faasen välllä. Yleensä faas on kevyem, a on raskaam, el esmerkks höyryn a nesteen välsessä tasaanossa ols höyry a neste. 11 Pelkän akaantumskertomen sasta käytetään tarkasteltaven komonentten akaantumskertomen suhdetta el erotustekää 12 3

4 Erotusrosess Erotusrosessen tomnnan laskemseks tarvtaan tetoa stä, mkä on faasen koostumus tasaanossa a mllä noeudella stä lähestytään. n& k A n& D -,b k AD,b on komonentn srtyvä anemäärä [mol/s]. on komonentn (kokonas)aneensrtokerron [mol/m 2 s]. n ala, onka lä ane srtyy, esmerkks faasen välnen nta-ala [m 2 ] aneensrron aava voma Mten aava voma eroaa lämmönsrron vastaavasta? 13 Mten vastavrtasuus edstää aneensrtoa? Neste/höyry-tasaano Erotusrosesselle, otka erustuvat tasaanoon nesteen a höyryn välllä, vodaan, a esttää höyrynaneden a aktvsuuskertomen avulla. deaalsessa seoksessa e tarvta aktvsuuskertoma (ts. ne ovat kaklle komonentelle ykkösä). Mllanen systeem on deaalnen? 14 Puhtaan komonentn höyrynane Pane, ossa annetussa lämötlassa muodostuu kaks faasa, höyry a neste 1 Puhtaan komonentn höyrynane Nesteden höyrynaneen ruvuutta lämötlasta T vodaan kuvata mm. Antonen yhtälöllä ln o A - B / (C + T) Tässä yhtälössä A, B a C ovat anekohtasa arametrea. 3 2 Esm. vedelle o 3816,44 ln 18,336- mmhg T / - 46,

5 deaalnen seos Jos seos on deaalnen, komonentn osaane höyryssä on (Raoultn lak) y a y ovat :n moolosuuksa nesteessä a höyryssä on kokonasane on uhtaan komonentn höyrynane ko. lämötlassa. Johda komonentn akaantumskertomen a komonentten välsen erotustekän (suhteellnen deaalnen seos deaalslle seokslle saadaan höyryn a nesteen välnen akaantumskerron a erotustekä lausuttua uhtaden aneden höyrynaneden avulla. y hahtuvuus) lauseke deaalselle systeemlle y a Mnkälanen erotustekä ol hyvä? Mnkälaset uhtaden komonentten höyrynaneet ohtavat shen? deaalnen seos okonasane on osaaneden summa (Daltonn lak) Prretään Py dagramm, lämötla vako neste höyry komonentten osaaneet y 19 deaalnen seos Seoksen lämötla vs. tosuus, Ty-dagramm Pane vako uhtaden komonentten kehumssteet Neste Höyry Höyry, kastestekäyrä Neste, kehumsstekäyrä ( T ) 1 y ( T) 2 1 5

6 deaalnen seos Seoksen y- käyrä höyryn tosuus vs. nesteen tosuus Pane vako uvaasta toseen srtymnen höyry neste deaalslla seokslla y- käyrä symmetrnen. E lekkaa dagonaala aab a ya 1+ a -1 ( ab ) a 21 Ns. raskas komonentt, kehuu korkeammassa lämötlassa Ns. kevyt komonentt, kehuu matalammassa lämötlassa Mten y- dagramm saadaan rrettyä os tunnetaan y ta Ty dagrammt? 22 uvaasta toseen srtymnen Eädeaalnen nestefaas deaalslla luokslla erotustekä e ru aneesta ta tosuukssta a van vähäsessä määrn lämötlasta. y kuvaaa saadaan rrettyä, kun valtaan Ty (ta y) kuvaaasta tasaanossa oleven höyry- a nestefaasn tosuuksa Mks tslauksen suunnttelussa on hyödyllsemää valta tosuudet Ty kuvaaasta? 23 äytännössä useat seokset ovat kutenkn eädeaalsa, etenkn nestefaasssa komonentten vuorovakutukset vovat olla monmutkasa. Tällön eädeaalsuus on huomotava ollan tavon, otta erotusrosessea vodaan suunntella oken. 24 6

7 Aktvsuuskerron y g omonentn aktvsuuskerron nestefaasssa Ruu merkttäväst seoksen musta komonentesta a lämötlasta, mutta e uurkaan aneesta Mllon yllä olevaa yhtälöä e vo käyttää? 25 Aktvsuuskerronmalln raotteet Henryn lak y g y H Jos komonentlle e voda määrtellä höyrynanetta, e tätä vo käyttää komonenttkohtanen vako, ruu lämötlasta. Vodaan käyttää myös ns. tlanyhtälötä (esm. SR ta PR), otka ennustavat sekä höyryfaasn että nestefaasn fugasteett 26 Tasaanovako a erotustekä aktvsuuskerronta käytettäessä a y g g g Jotan aktvsuuskerronmallea Smulaattoressa, esm Asen, on suur valkoma aktvsuuskerronmallea van Laar Margules Wlson UNQUAC NRTL Flory-Huggns UNFAC ASOG Melko yksnkertasa, e kovn tarkkoa 27 Faastasaanot E ela a 28 7

8 Jotan aktvsuuskerronmallea Jotan aktvsuuskerronmallea van Laar Margules Wlson UNQUAC NRTL Flory-Huggns UNFAC ASOG Aka hyvä mm. olaarslle komonentelle, esm. alkoholhlvety seokset. E ennusta lankaan neste-neste akaantumsta van Laar Margules Wlson ln UNQUAC NRTL Flory-Huggns UNFAC ASOG g -ln Ł L + 1- ł k k L L k k Faastasaanot E ela a 29 Faastasaanot E ela a 3 Jotan aktvsuuskerronmallea Jotan aktvsuuskerronmallea van Laar Margules Wlson UNQUAC NRTL Flory-Huggns UNFAC ASOG So hyvn eädeaalslle seokslle, myös neste-neste tasaano van Laar Margules Wlson UNQUAC NRTL Flory-Huggns UNFAC ASOG Polymeerelle a mulle raskalle komonentelle a näden seokslle (myös keveden kanssa) Faastasaanot E ela a 31 Faastasaanot E ela a 32 8

9 Jotan aktvsuuskerronmallea van Laar Margules Wlson UNQUAC NRTL Flory-Huggns UNFAC ASOG Ryhmävuorovakutusmallea Ennustaa vuorovakutukset molekyylen rakenteen erusteella funktonaalssta ryhmstä Faastasaanot E ela a 33 Eädeaalnen seos, mnm kehumsste Seoksen ane vs. tosuus Lämötla vako atseotroo Usen atseotroosteen tosuus muuttuu lämötlan a aneen funktona. Atseotroo saattaa myös esntyä van tetyllä ane- a lämötla-alueella. Atseotrooste vo olla myös maksm kehumsste 34 Eädeaalnen seos, mnm kehumsste Seoksen lämötla vs. tosuus Pane vako uhtaden komonentten kehumssteet Seoksen y- käyrä höyryn tosuus vs. nesteen tosuus Pane vako Eädeaalnen seos, mnm kehumsste höyry neste atseotroo höyry neste atseotroosteessä höyryn a nesteen tosuudet ovat samat

10 Faaskäyren rtämnen höyrynaneden avulla Jos mall höyrynanelle on olemassa, mten saadaan rrettyä faasdagrammea? Höyry-neste tasaano höyrynaneen avulla Puhtaden komonentten höyrynanelle löytyy seuraavat korrelaatot: Esmerkk: Prrä höyrynaneet a laad a) y -dagramm vakolämötlassa 7 o C sekä b) Ty sekä y dagrammt vakoaneessa 76 mm Hg heksaan tolueen -seokselle. 37 log Heksaan Ł mm Hg log Tolueen Ł mm Hg ł ł 1171,53 6, T - 224,366 o C 1344,8 6, T - 219,482 o C 38 Höyrynaneet vodaan rtää suoraan sottamalla lämötloa -1 o C yhtälöhn Oletetaan höyryfaas deaalseks (ane e kovn korkea). Myös nestefaas on deaalnen okonasane on osaaneden summa, el saadaan Heksaan Heksaan + Tolueen Tolueen um on heksaan a kum tolueen? 39 y y 1

11 b) okonasane 76 mm Hg, lämötlaa e tedetä. Lämötla oudutaan ratkasemaan teratvsest koska höyrynaneyhtälö on eälneaarnen. P Heksaan ( T ) Heksaan + Tolueen( T) Tolueen Arvataan lämötlaa kullakn tosuudella kunnes laskettu ane vastaa annettua kokonasanetta y Heksaan Tolueen T Heksaan P/mm Hg P-(+) T/C y ,57 11, ,5,95 5,99E-5 16,9746, ,1,9 6,47E-5 13,632, ,2,8 5,4E-5 97,58142, ,3,7 1,19E-5 92,35925, ,4,6 7,71E-6 87,78198, ,5,5 5,22E-5 83,7349, ,6,4,132 8,11253, ,7,3,17 76,856, ,8,2,278 73,9395, ,9,1,315 71,2193, ,152 68, Ty -dagramm Arvauksen vo tehdä Eceln solverlla el ratkasta yhtälö P - Heksaan( T) Heksaan + Tolueen( T) Tolueen Lämötlan T:n suhteen P - Heksaan( T) Heksaan+ Tolueen( T) Tolueen Faastasaanot E ela a 42 y -dagramm Tasaanokäyrä Heksaan Tolueen T Heksaan P/mm Hg P-(+) T/C y ,57 11, ,5,95 5,99E-5 16,9746, ,1,9 6,47E-5 13,632, ,2,8 5,4E-5 97,58142, ,3,7 1,19E-5 92,35925, ,4,6 7,71E-6 87,78198, ,5,5 5,22E-5 83,7349, ,6,4,132 8,11253, ,7,3,17 76,856, ,8,2,278 73,9395, ,9,1,315 71,2193, ,152 68, Metanol-ves 2 Etanol-ves 3 soroanol-ves 4 Ves-sobutanol 5 Bentseen-tolueen 6 Bentseen-etyleenklord 7 n-heksaan-bentseen 8 Bentseen-2,2,3-trmetylbuta 9 Metanol-bentseen 1 Ves-etkkahao 11 Ves-muurahashao 12 loorvetyhao-ves 13 Rkkhao-ves 14 Aseton-kloroform Faastasaanot E ela a 43 Alkohol-ves tasaanoa 44 11

12 Tasaanokäyrä Neste-neste tasaano 1 Metanol-ves 2 Etanol-ves 3 soroanol-ves 4 Ves-sobutanol 5 Bentseen-tolueen 6 Bentseen-etyleenklord 7 n-heksaan-bentseen 8 Bentseen-2,2,3-trmetylbuta 9 Metanol-bentseen 1 Ves-etkkahao 11 Ves-muurahashao 12 loorvetyhao-ves 13 Rkkhao-ves 14 Aseton-kloroform Nesteen akaantumnen kahteen faasn edellyttää vomakasta eädeaalsuutta; er faasehn meneven komonentten tää hylkä tosaan otta faasen erottumnen on mahdollsta. hlvetysysteemen tasaanoa Faastasaanot E ela a Neste-neste tasaano umallekn faaslle erkseen g Jakaantumskerron y okean uolen tää olla sama kummallekn faaslle oten g g g g 47 a Erotustekä kutsutaan myös luottmen selektvsyydeks Neste-neste -tasaanossa erottumsta taahtuu 1) van, os luokset ovat eädeaalsa ( l). Tästä seuraa edelleen, että erotustekä a ruu vomakkaast nesteden tosuukssta. g g g g 48 12

13 olmokoordnaatsto olmokoordnaatsto A,8,6 A,4,2,2,4 C B,6,8,6,8,4 C,2 B Mtkä ovat tosuudet alleron kohdalla? A,8,6 A,4,2,2,4 C B,6,8,6,8,4 C,2 B Jokasessa nurkassa on yks uhdas komonentt omonentn tosuus luetaan sltä astekolta, oka kasvaa kysestä nurkkaa koht Seurataan stä vvaa, oka menee enemään lukuarvoon (tosuudet summautuvat ykköseks!) Suorakulmanen kolmo Srrettävä ane Luotn omonentt vodaan ärestää myös tosn Ternäärnen neste-neste tasaano (LLE) Alue, ossa muodostuu kaks nestefaasa.4 Lamentava ane el kantaa

14 Ternäärnen LLE Ternäärnen LLE Yhdysvvoen ästä saadaan nestefaasen tosuudet Mtä taahtuu, kun sekotetaan vettä a kloroforma suhteessa 5/5? Ternäärnen LLE Vusääntö Mtä taahtuu, kun sekotetaan veden a kloroformn 5/5 seokseen aletaan lsäämään etkkahaoa? Syntyven faasen määrät ovat verrannollsa vuen tuuksn. Saadaan ohdettua helohkost anetasesta. S 55 14

15 Neste/knteä-tasaano Joskus aktvsuuskertomlla tms. malllla Aka usen graafsest eskestä mm. kteytyksessä, saostuksessa a luotuksessa Erlasten knteden faasen tarkastelu tärkeää myös erlasssa materaalteknkan sovelluksssa nteän aneen ta kaasun lukosuus äytetään, os tonen ane on selkeäst luotn a tonen lukeneva ane, el uhtaden aneden faas e muutu knnostavalla lämötla-alueella nteä-neste faaskuvaaat nteä-neste faaskuvaaat Mkä? Prretään usen Ty muodossa Eutektnen ste myös deaalsssa seoksssa nteä ane usen melko uhdasta, varsnkn os ktenen (e amorfnen) Useden kdemuotoen mahdollsuus monmutkastaa tlannetta

16 Tärketä kästtetä: rttnen ste olmosste asteste ulaste ertaus Normaal kehums- a sulamsste Aktvsuuskerron Atseotroo ertaus ahden komonentn höyry-neste tasaanoa tarkastellaan usen y, Ty ta y kuvaaen avulla. Neste-neste tasaanoa kuvataan usen kolmodagrammella (3 komonentta) nteä-neste tasaanoa kuvataan lukosuuskäyrllä ta T -kuvaalla Eutektnen ste