Yksikköoperaatiot ja teolliset prosessit CHEM-A2100 (5 op)

Transkriptio

1 Yksikköoperaatiot ja teolliset prosessit CHEM-A2100 (5 op) 1

2 Yleistä kurssista Luento- ja laskariaikataulu MyCourses ja Oodissa Luennot maanantaisin kerran viikossa. Luennoilla saatetaan tehdä myös pieniä tehtäviä Laskarit (kynä & paperi) kerran viikossa Laskarit ATK-laitteiden avulla kaksi ryhmää Simulaattoreiden käyttö: Excel, Aspen, sekä HSC työkaluna 2

3 Yleistä kurssista 3 kotilaskua (vaihtelevat työmäärät), pienissä ryhmissä mutta kaikkien on osallistuttava tasapuolisesti. Kotilaskut on saatava hyväksyttyä kurssin aikana. Laskut jäävät voimaan jos kaikki laskut tehty. Kotilaskuista annetaan arvosanat, jotka vaikuttavat kurssin arvosanaan. Ensimmäisellä palautuksella täysin oikein = 5, sen jälkeen tämän osan arvosana lähtee alenemaan. Laskujen assistentit vastaavat aikatauluista ja laskujen arvostelusta Tarkasta että kaikki suoritukset hyväksytään! 3

4 Yleistä kurssista 2 välikoetta, jossa teoria- ja laskuosa. Laskuosassa (sekä välikokeet että tentti) kaikki materiaali sallittu, ei kuitenkaan esimerkkitehtävien malliratkaisut Huomioi, että aika tentissä ei riitä siihen, jos alat vasta tutustumaan materiaaliin. Tehtävät voivat olla myös sellaisia, että tarvitset tietoa eri lähteistä. Materiaalin mukaan ottamisen ajatus on se, ettei detaljeja tarvitse opetella ulkoa, vaan oman työn voi painottaa siihen, että ymmärtää asian! 4

5 5 op = 135 h Luennot 24 h Harjoitukset 48 h Kurssin työmääräarvio Tavalliset laskarit 12*2 = 24 h Mikroluokka 12 * 2 = 24 h Kotilaskut 20 h Muu oma opiskelu 43 h Päivitetty pruju jakoon tällä viikolla Sis. tentti/välikokeet 5/6 h Arvostelu teoriatentti 25% / laskutentti 50% / kotilaskut 25% 5

6 Palautteen perusteella muutoksia edellisestä kerrasta (kritiikki vastaus) - 2. kotilasku liian työläs / ei palautetta mikä meni väärin Laskun rakennetta pyritään selkeyttämään vieläkin. Kotilaskuja pohjustetaan mikrolaskareissa (näin oli jo viime vuonna). Käykää niissä tai tehkää tehtävät itse! Aspen plus simulointiohjelmaan tehty opetusvideoita ja ne löytyvät YouTubesta ( Viinan tislaus 1-5 ). Käy läpi ennen mikrolaskareita, niiden aikana tai kotilaskua tehdessäsi. Erityisesti osat 1-4, nämä yhteensä 28 min. 6

7 Palautteen perusteella muutoksia edellisestä kerrasta (kritiikki vastaus) Pyrimme järjestämään myös opiskelija-assareita toiseen kotilaskuun maisterikurssilta CHEM-E Engineering Thermodynamics, Separation Processes, part 1 Laskariaiheet poukkoilivat, ja sisälsivät muiden kurssien asiaa Selkeytetään, kerrotaan myös mitkä ovat bonustehtäviä. Erotukset, reaktorit ja muutkin asiat kuitenkin lopulta liittyvät kiinteästi toisiinsa. Kalvot etukäteen MyCourses sivuille Pyritään toteuttamaan 7

8 Palautteen perusteella muutoksia edellisestä kerrasta (kritiikki vastaus) - Käsinlaskarit etenivät liian hitaasti / liian nopeasti / liittyivät tietokoneharjoituksiin Ajatus on, että laskuihin hieman tutustutaan etukäteen, ja niitä lasketaan itse laskareissa. Sen jälkeen ne käydään yhdessä läpi. Laskari ei ole demo. Kertokaa jo etukäteen, miten haluatte asiat käytävän! Käsinlaskareiden on tarkoituskin tukea atk-laskareita. Laskaritehtäviä muokataan hieman, jotta niissä olisi vieläkin helpompia joista aloittaa. 8

9 Kurssilla opettamassa ainakin Ville Alopaeus, Prof, Kemian laitetekniikka (vastuuopettaja) Juha-Pekka Pokki, Lehtori, Kemian laitetekniikka Kaj Jakobsson, TkT, Kemian laitetekniikka Pekka Oinas, Prof, Tehdassuunnittelu Sarwar Golam, Lehtori, Tehdassuunnittelu Jari Aromaa, Lehtori, Materiaalitekniikka (mekaaniset erotukset) 9

10 Luennot (laskarit seuraavat samoja teemoja) 1 aloitus, johdanto erotusmenetelmiin, ideaaliaskeleen käsite, vastavirtaperiaate erotusoperaatioissa 2 faasitasapainot, kuvaajat, mallit (höyry-neste, ideaali & gamma) 3 Tislaus, uutto, ainetaseet 4 Erotusmenetelmät: absorptio, haihdutus, kiteytys 5 Mekaaniset erotusmenetelmät, suodatus, flotaatio, pesu 6 Faasien välinen aineensiirto *** välikoe *** 10

11 Luennot (laskarit seuraavat samoja teemoja) 7 Mekanistinen mallitus, siirtokerrointen korrelaatiot 8 Hanketyypit, projektitoiminta, prosessien T&K, prosessisynteesi ja analyysi, aine- ja energiataseet 9 Prosessisuunnittelu, prosessin päälaitteiden valinta 10Prosessisuunnittelun dokumentit, virtaus- ja PI diagrammit, toteutussuunnittelu 11Prosessin säädöt, esimerkkitarkastelua 12 Teollisia esimerkkejä, menetelmien kypsyys, kertausta *** välikoe ja tentti *** 11

12 Kotilaskut 1. Prosessin virtauskaavion taseiden laskenta Excelillä, 3 h, tarkoitus saada jakoon heti 2. Esimerkkikaavion ratkaisu Aspenilla, laitteiden datasheetit, 10 h 3. HSC harjoitustyö, 7 h Laskut pohjustetaan mikroharjoituksissa Laskut pienessä ryhmissä (max 4 henkeä). Ryhmät saa muodostaa itse eikä niiden tarvitse olla samat eri laskuissa. Jokaisen on osallistuttava tasapuolisesti laskun tekoon! Laskut tehtävä yhden lukukauden aikana, mutta suoritukset 12 säilyvät

13 Oppimistavoite tälle luennolle Tuntee tyypillisimmät kemian teollisuuden (laajasti ymmärrettynä) erotusmenetelmät ja niiden toimintaperiaatteet Tietää faasien välisen tasapainon periaatteen Tuntee ideaaliaskeleen käsitteen ja sen vaikutuksen erotustehokkuuteen Ymmärtää vastavirtaperiaatteen hyödyntämisen erotusoperaatioissa 13

14 Erotusprosessit (erotusoperaatiot, yksikköoperaatiot, erotusmenetelmät...) Fermentorista saadaan etikkahapon ja veden seosta. Miten nämä saadaan erilleen, mitä tuotteita niistä saadaan myytäväksi (tuotespekit?) ja mitä lopulla tehdään? Juttele hetki kaverin kanssa ja sitten yhdessä 14

15 Erotusprosessit Useimmiten erotusprosessit perustuvat siihen, että eri aineiden pitoisuudet eri faaseissa poikkeavat toisistaan Esimerkiksi laimeissa etanolivesi seoksessa etanoli höyrystyy helpommin kuin vesi, jolloin sen mooliosuus höyryssä on suurempi kuin nesteessä 15

16 Erotusprosessit Tislauksessa nestettä lämmitetään, jolloin muodostuu toinen faasi (höyry). Erotus perustuu siis faasin muodostamiseen. Toinen vaihtoehto on lisätä toinen faasi, esimerkiksi uutossa: lisätään käsiteltävään nesteeseen liukenematon liuotin 16

17 Minkä faasien väliseen tasapainoon seuraavat erotusprosessit perustuvat? Lisätäänkö faasi vai muodostetaanko se? 1. Tislaus 2. Haihdutus 3. Absorptio 4. Uutto 5. Liuotus ja pesu 6. Adsorptio 7. Ioninvaihto 8. Kiteytys Neste/höyry, toinen muodostetaan sama kuin tislaus, yleensä jotain ei haihdu Kaasu/neste, neste lisätään Neste/neste, toinen neste lisätään Neste/kiinteä, neste lisätään Neste tai kaasu / kiinteä, kiinteä lisätään Neste/kiinteä, kiinteä lisätään Neste/kiinteä, kiinteä muodostetaan 17

18 Muita erotusprosesseja Suodatus Kalvoerotukset, kuten ultrasuodatus tai käänteisosmoosi Vaahdotus Syklonit (pyörre-erotus) Sedimentaatio... 18

19 Faasien välinen tasapaino Mitkä kolme asiaa vaaditaan faasien väliseen tasapainoon? (faaseissa on sama...) 1. paine 2. lämpötila 3. kemiallinen potentiaali tai fugasiteetti joka komponentille 19

20 Puhtaan komponentin höyrynpaine Missä on neste ja missä höyry? Kriittinen piste, T c, p c paine p o T neste höyry esim. vedelle T c = 374 o C p c = 220 bar T lämpötila 20

21 Puhtaan komponentin höyrynpaine paine Miksi korkealla vuoristossa ruoan valmistus keittämällä kestää pitkään? Miksi painekattila nopeuttaa ruoan valmistusta? p o T neste höyry T lämpötila 21

22 Miten mutteripannu toimii? Miten lämmönsiirto tapahtuu? Miten veden höyrynpainekäyrä vaikuttaa? Minkälainen erotusprosessi on kyseessä? Miten vesisäiliön paine määräytyy? Mikä tämä on ja miksi se tarvitaan? Mieti taas ensin kaverin kanssa ja sitten yhdessä 22

23 Miten mutteripannu toimii? Miten lämmönsiirto tapahtuu? Miten veden höyrynpainekäyrä vaikuttaa? Minkälainen erotusprosessi on kyseessä? Miten vesisäiliön paine määräytyy? Mikä tämä on ja miksi se tarvitaan? 23

24 Seoksen höyrynpaine Seoksella ei ole tarkasti määrättyä höyrynpainetta. Jos nesteseosta lämmitetään, jossain vaiheessa siihen alkaa muodostua kuplia. Tätä kutsutaan kuplapisteeksi. Kuplissa on eniten herkimmin haihtuvia aineita mutta höyry on kuitenkin seos. Kun seosta lämmitetään edelleen, höyryn määrä kasvaa ja yhä suurempi määrä myös vähemmän haihtuvia aineita höyrystyy. Kun lämpötila on tarpeeksi korkea, viimeinenkin nestepisara höyrystyy. Tätä kutsutaan kastepisteeksi. 24

25 Yksi tapa esittää etanoli-vesi seoksen tasapaino Tämä on ns. Txy diagrammi (2 komponenttia) Muita vaihtoehtoja esim. pxy ja y-x diagrammit ja faasikäyrä eli p-t Mitattujen pisteiden avulla yleensä sovitetaan sopivaan termodynaamiseen malliin parametreja. Mallia voidaan käyttää prosessien suunnittelussa 25

26 Kuplapiste ja kastepiste 26

27 Jakaantumiskerroin (faasitasapainon tasapainovakio) Jakaantumiskerroin kuvaa tietyn komponentin mooliosuuksien suhdetta eri faaseissa K i x x I i II i Yleensä faasi I on kevyempi ja II raskaampi, esimerkiksi höyry ja neste tislauksessa (yleensä silloin y ja x). Mikä on etanolin jakaantumiskerroin edellisen kalvon kuvan perusteella lämpötilassa T = 360 K? Mikä on tällöin veden jakaantumiskerroin? 27

28 etanoli: y 1 = 0,43 x 1 = 0,09 K 1 = y 1 /x 1 = 4,78 vesi y 2 = 0,57 x 2 = 0,91 K 2 = y 2 /x 2 = 0,63 28

29 Erotustekijä Erotustekijä kuvaa jakaantumiskertoimien suhdetta kahdella tarkasteltavalla komponentilla ij K K i j Äskeisessä esimerkissä K 1 = 4,78 ja K 2 = 0,63, joten 12 = 7,63. Erotus on tällöin helppo, mutta höyry ei silti ole läheskään puhdasta. Mitä tapahtuu, kun nesteen pitoisuus on n.90% EtOH? 29

30 Erotustekijä Jakaantumiskerroin ij K K i j K i x x I i II i Millainen on hyvä erotustekijä? Millainen huono? Miksi? 30

31 Ideaaliaskel Ideaaliaskel on sellainen kuvitteellinen laite tai sen osa, josta poistuvat virrat ovat tasapainossa Ideaaliaskelten lukumäärä tietyssä laitteessa kuvaa laitteen erotuskykyä. Jos erotustekijä on lähellä ykköstä, tarvitaan paljon ideaaliaskeleita aineiden erottamiseksi. 31

32 Paisuntahöyrystys Fz Höyry Lauhde Dy Bx Jatkuvatoiminen Syöttöä lämmitetään ja/tai sen painetta lasketaan Käytännössä yksi ideaaliaskel 32

33 Esimerkki Säiliöön syötetään 10 kmol/h seosta, jossa on 20 mol-% etanolia ja loput vettä. Säiliö on ilmanpaineessa ja sen lämpötila pidetään 87 o C:ssä. Viipymäaika säiliössä on riittävän pitkä ja sekoitus tehokasta, että säiliö voidaan olettaa toimivan ideaaliaskeleena. Laske ulostulevien virtausten määrät ja pitoisuudet Vinkki: Kirjoita taseet ja käytä tasapainopitoisuuksia kuvasta 33

34 Taseet: F = 10 kmol/h z = 0,2 etanolille kokonaistase Esimerkki Fz = Vy + Lx F = V + L V =? y = 0,43 L =? x = 0,09 L = F*(y z)/(y x) = 6,76 kmol/h, V = 3,24 kmol/h Mitä tapahtuisi jos lämpötila pidettäisiin 110 o C:ssa? 34

35 Ekstrakti: sisältää liuottimeen liuennutta erotettavaa ainetta ja jonkin verran muita syötön komponentteja (kantajaa) ekstrakti syöttö Syöttö: jokin erotettava komponentti liukenee liuottimeen enemmän kuin muut Uutto Uuttolaite, jossa nestefaasit pyritään saamaan hyvään kontaktiin vastavirtaperiaatetta hyödyntäen Jos uuttolaite olisi yksi ideaaliaskel, niin mitkä virrat olisivat tasapainossa? Minkälainen uuttolaite voisi olla käytännössä? Liuotin: yleensä kierrätetään, puhdistettu uutettavasta aineesta (regeneroitu) Liuotin raffinaatti Raffinaatti: se osa syötöstä joka ei liuennut liuottimeen (kantaja). Sisältää enää vähän erotettavaa komponenttia mutta hiukan liuennutta liuotinta 35

36 Myötä- ja vastavirtaprosessit Mitä tapahtuu, jos ideaaliaskeleita liitetään toisiinsa myötätai vastavirtaisesti? Tässä toista faasia ei muodosteta laitteessa vaan se syötetään (esim. uutto). Voit muistella vastaavaa lämmönsiirrosta. liuotin syöttö ideaaliaskel ideaaliaskel liuotin ideaaliaskel ideaaliaskel syöttö 36

37 Vastavirtaisuus käytännössä, esim. tislaus 37

38 Pesty kaasu Laimea liuotin Vastavirtaisuus käytännössä, absorptio / strippaus Pestävä kaasu Poistettu kaasu Väkevä liuotin 38

39 Kertaus Erotusprosessit perustuvat useimmiten komponenttien erilaiseen jakaantumiseen faasien välillä Esimerkiksi tislaus, haihdutus ja absorptio perustuvat aineiden jakaantumiseen nesteen ja höyryn (kaasun) välillä Jakaantumiskerroin kuvaa tietyn komponentin mooliosuuksien suhdetta kahdessa tasapainossa olevassa faasissa 39

40 Kertaus Erotustekijä kuvaa kahden eri komponentin jakaantumiskertoimien suhdetta. Erotus onnistuu parhaiten, jos erotustekijä poikkeaa selvästi ykkösestä. Ideaaliaskel on sellainen kuvitteellinen osa erotusprosessia, josta poistuvat virrat ovat tasapainossa keskenään Kytkettäessä ideaaliaskeleita vastavirtaperiaatteen mukaan toisiinsa, saadaan erotusprosessin tehokkuutta huomattavasti lisättyä 40