مهندسی شیمی جداسازی

1389
اصول تفکیک و جداسازی در مهندسی شیمی

 اصول تفکیک

 عمليات جداسازي

در مهندسي شيمي هدف بسياري از عمليات، جداسازی اجزاء يک محلول يا مخلوط از يکديگر یا بدست آوردن يک ماده خالص از يک ترکيب يا مخلوط دو يا چند جزئي می باشد. آنچه به عنوان عمليات جداسازي در مهندسي شيمي مطرح است شامل:

-   جداسازي مخلوط ناهمگن که با انتقال جرم همراه نبوده وغالباً با روش هاي مکانيکي انجام
مي شود.

اين روش ها شامل موارد زیر می باشد:

صاف کردن (Filtration): اساس کار در اين روش اختلاف در فازها است، پس اين روش براي موارد دو يا چند فازي به کار مي رود. مانند جداسازي جامد معلق در مايع.

غربال کردن (Screening): اساس کار در اين روش اختلاف در اندازه ذرات است. مانند الک کردن پودري با الک هايي با اندازه سوراخ (Mesh) متفاوت.

بوجاری (Aspiration): اساس کار در اين روش اختلاف در دانسيته اجزاء سيستم است. مانند جداسازي کاه از گندم با دميدن هوا.

شناور سازي (Floatation): اساس کار در اين روش اختلاف در دانسيته اجزاء سيستم است. مانند جداسازي سيب هاي سالم از بين سيب هاي ناسالم با شناور سازي آنها در آب.

-   جداسازي محلول يا مخلوط همگن که با انتقال جرم و تغيير اجزاء محلول اوليه همراه است. اين انتقال جرم مي تواند همراه با واکنش شيميايي (مانند جداسازي آب و اسيد استيک به روش تقطير) و يا بدون واکنش شيميايي (مانند جداسازي کلر از هوا به روش جذب کلر با آب) باشد.

 انواع عمليات انتقال جرم با توجه به نحوه تماس و قابليت امتزاج پذيري دو فاز:

 تماس مستقيم دو فاز نامحلول

تماس مستقيم دو فاز نامحلول عمده ترين و مهم ترين نوع انتقال جرم مي باشد. انتقال جرم تا رسيدن به تعادل ادامه دارد و در نقطه تعادل اجزاء تشکيل دهنده فازها داراي غلظت هاي متفاوتي در دو فاز خواهند بود اما وقتي تعادل ايجاد شد ديگر انتقال جرمي صورت نمي گيرد.

با توجه به اينکه هر یک از فازها مي توانند گاز، مايع و يا جامد باشند مي توان عمليات انتقال جرم به هنگام تماس دو فاز نامحلول را به شش حالت گاز- گاز ، گاز- مايع، گاز- جامد، مايع- مايع، مايع- جامد، جامد- جامد تقسيم کرد که به طور خلاصه به هر حالت اشاره مي شود:

الف) گاز- گاز: تقريباً تمامي گازها در يکديگر قابل حل هستند و به علت تحرک مولکولي زياد و سريع، بلافاصله در هم آميخته و تک فازي مي شوند پس سيستم گاز- گاز در مقوله انتقال جرم مستقيم دو فاز قابل امتزاج قرار نمي گيرد.

ب) گاز- مايع: پس از تماس دو فاز انتقال جرم از يک فاز به فاز ديگر صورت مي گيرد. واحدهاي عملياتي گاز- مايع به شرح زير مي باشند:

تقطير (Distillation): با حرارت دادن محلول، فازهای مايع و بخار در تماس با هم قرار می گیرند و اساس جداسازي بر پايه اختلاف در نقطه جوش می باشد (مانند جداسازي آب و الکل).

جذب (Absorption): در عملیات جذب دو فاز گاز و مايع در تماس با هم قرار می گیرند و يک یا چند جزء از فاز گاز در فاز مايع حل می شوند (مانند جذب آمونياک توسط آب از مخلوط
هوا- آمونياک). اگر گاز شامل مخلوط چند جزء باشد اجزاء به نسبت هاي مختلف جذب مايع خواهند شد که آن را جذب نسبي (Fractional) گويند.

دفع (Adsorption) يا (Stripping): درعملیات دفع دو فاز گاز و مايع در تماس با هم قرار
می گیرند و يک يا چند جزء از فاز مايع به فاز گاز منتقل می شود به عبارت ديگر عمل دفع عکس عمل جذب است (مانند دفع آمونياک توسط هوايي که از آب اشباع شده از مخلوط آب و آمونياک). اگر مايع شامل چند جزء باشد اجزاء به نسبت هاي مختلف به گاز منتقل مي شوند اين عمل را دفع نسبي گويند.

رطوبت زني (Humidification): در این عملیات دو فاز گاز و مايع در تماس با هم قرار می گیرند فاز مايع خالص است و فاز گازي مي تواند يک يا چند جزئي باشد و انتقال جرم از فاز مايع به فاز گاز در اثر تبخير مايع صورت مي گيرد (مانند تماس آب با هواي خشک و انتقال آب به هوا). رطوبت زني نوعي دفع است (انتقال از فاز مايع به فاز گاز صورت مي گيرد) که فاز مايع خالص بوده و عمليات نسبي نمي باشد.

رطوبت گيري (Dehumidification): در این عملیات دو فاز گاز و مايع در تماس با هم قرار
می گیرند که در آن فاز مايع خالص است و فاز گازي مي تواند دو يا چند جزئي باشد و در اثر چگالش انتقال جرم از فاز گاز به فاز مايع صورت مي گيرد. از اين عملیات در تهويه مطبوع استفاده می کنند.

ج) گاز- جامد: پس از تماس دو فاز گاز و جامد انتقال جرم از يک فاز به فاز ديگر صورت
مي گيرد. واحدهاي عملياتي گاز- جامد به شرح زير مي باشند:

تصعيد (Sublimation): انتقال جرم از فاز جامد به فاز گازي در اثر تغيير فاز جامد به گاز بدون تبديل جامد به مايع را تصعيد گويند (مانند تصعيد نفتالين در هوا يا تصعيد خوشبو کننده هاي جامد در هوا). اگر جامد چند جزئي باشد اجزاء به نسبت هاي مختلف تصعيد مي شوند اين عمل را تصعيد نسبي گويند.

خشک کردن (Drying): انتقال رطوبت از فاز جامد به فاز گازي را خشک کردن گويند که رطوبت مي تواند از جنس هر ماده فراري باشد. مانند خشک کردن ميوه ها.

جذب سطحي (Adsorption):در جذب سطحي انتقال جرم از فاز گاز به جامد صورت مي گيرد (مانند جذب رطوبت هوا توسط سيليکاژل يا جذب استن توسط کربن فعال). اگر گاز چند جزئي باشد اجزاء به نسبت هاي متفاوتي جذب جامد مي شوند اين عمل را جذب سطحي نسبی گويند (مانند جذب گازهاي پروپان و پروپلين توسط کربن فعال يا جذب استيلن و اتيلن توسط سيليکاژل).

د) مايع- مايع: در فرآيند استخراج مايع- مايع (Liquid-Liquid Extraction) یا استخراج با حلال
(Solved Extraction) ، خوراک که حاوي جزء حل شونده (Solute) و بقيه اجزاء که نقش حمل کننده را دارند (Carrier) با حلال (Solvent) تماس داده مي شوند. دو فاز تشکيل شده يکي غني از حلال (Extract) و ديگري غني از جزء حمل کننده (Raffinate) مي باشند. در اثر تماس اين دو فاز انتقال جزء حل شونده از خوراک به حلال صورت مي گيرد مثلاً در مخلوط آب- استن که کلروفرم استن را استخراج مي کند آب Carrier، استن Solute و کلروفرمSolvent  است.

اگر خوراک حاوي چند جزء حل شوند باشد اجزاء به نسبت هاي مختلف در حلال حل مي شوند اين عمل را استخراج نسبي گويند مثلاً در مخلوط آب- استن، کلروفرم اسيد استيک و استن را استخراج مي کند. آب Carrier، اسيد استيک و استن Solute و کلروفرم Solvent مي باشد.

در موارد زیر استفاده از استخراج بر تقطیر ترجیح دارد:

·       تقطیر در دمای بالایی صورت گیرد یا گرمای نهان تبخیر بالا باشد.

·       ضریب فراریت اجزاء نزدیک به یک باشد.

·       جلوگیری از تجزیه حرارتی، مثل جداسازی آنتی بیوتیک ها.

·       وجود شرایط آزئوتروپ.

·       در تقطیر محلول های رقیق هنگامی که آب باید جدا شود عمل استخراج اقتصادی تر است.

ﻫ) مايع- جامد: پس از تماس دو فاز انتقال جرم از يک فاز به فاز ديگر صورت مي گيرد. واحدهاي عملياتي مايع- جامد به شرح زير مي باشند:

تبلور (Crystallization): دو فاز مايع و جامد در تماس با هم قرار می گیرد که معمولاً مايع از ماده خاص اشباع بوده و در اثر سرد کردن مايع، بلورهاي جامد تشکيل مي شوند را عمليات تبلور گويند. در نقطه تعادلي کليه اجزاء در دو فاز موجودند.

استخراج از جامد با حلال (Solid Liquid Extraction): در اين فرآيند حلال جزء خاصي را از جامد استخراج مي کند (مانند استخراج مس از صخره هاي آن توسط حلال سيانید). اگر جامد حاوي چند جزء حل شونده در حلال باشد استخراج نسبي صورت مي گيرد (مانند استخراج ماده رنگي از برگ چاي توسط حلال آب).

جذب سطحي (Absorption): دو فاز مايع و جامد در تماس با هم قرار می گیرد و جزئي از مايع توسط جامد جذب مي شوند (مانند جذب کلر موجود درآب توسط کربن فعال). در صورتي که چند جزء از فاز مايع به جامد منتقل شوند جذب سطحي نسبي صورت مي گيرد (مانند جذب مواد رنگي موجود در چغندر قند توسط کربن فعال).

و) جامد- جامد: چون حرکت مولکولي بين جامدات بسيار کند است از لحاظ مهندسي عملاً
انتقال جرمي بين دو فاز جامد صورت نمي گيرد.

 تماس مستقيم دو فاز محلول

وقتي دو فاز گاز- گاز و يا مايع- مايع در اثر تماس مستقیم با يکديگر قرار می گیرند به صورت يک فاز در مي آيند. انتقال جرم بين دو فاز مانند انتقال جرم بين دو نقطه از يک فاز بررسي
مي شود. آنچه موجب انتقال جرم بين دو نقطه از يک فاز مي شود اختلاف در غلظت، دما، فشار و نيروي محرکه خارجي وارد دو نقطه مي باشد.

 تماس غير مستقيم دو فاز که توسط غشاء از يکديگر جدا شده اند

هدف از جدا سازي دو فاز گاز- گاز و يا مايع- مايع توسط غشاء، براي دو فاز نامحلول جلوگيري از حرکت هيدروليکي يکي از فازها در ديگري و براي دو فاز محلول جلوگيري از انحلال آنها در يکديگر است. غشاء قابليت عبور دهي ذرات خاصي را دارد و عملکرد آن به دو صورت Diffusion (عبور دهي ذرات خاصي از منافذ غشاء) و يا Permeation (ذرات خاصي در غشاء جذب شده و پس از حل شدن به طرف ديگر غشاء نفوذ مي کنند) می باشد.

 استفاده از کشش سطحي

با افزودن موادي به حلال، کشش سطحي آن را کاهش مي دهند. در اين حال مي توان با ايجاد کف و حباب در محلول امکان چسبيدن مواد مورد نظر به حباب ها را ايجاد نمود سپس کف ها را از سطح جدا نمود.

 انواع عمليات انتقال جرم با توجه به نوع مجاور نمودن دو فاز:

 عمليات مستقيم

اگر براي جداسازي جزء يا اجزاء خاصي از محلول يا مخلوط همگني، مخلوط در اثر انتقال حرارت به دو فاز تبديل شده و پس از تماس دو فاز جداسازي انجام شود عمليات را مستقيم گويند.
مانند تقطير (با گرفتن حرارت) و تبلور (با از دست دادن حرارت)

 عمليات غير مستقيم

اگر براي جداسازي جزء يا اجزاء خاصي از محلول يا مخلوط همگني، نياز به فاز ديگري باشد تا در اثر تماس بين دو فاز انتقال از فازي به فاز ديگر صورت گيرد چنين عملياتي را غير مستقيم گويند. مانند استخراج مايع- مايع و جذب

 دستگاه هاي عملياتي

دستگاه هاي عملياتي گاز- مايع و مايع- مايع را به دو دسته کلي مرحله اي و ديفرانسيلي
تقسيم بندي می شوند. در دستگاه هاي عملياتي مرحله اي تنها مواضع خاصي از دستگاه محل تماس دو فاز است و در بقيه مواضع تماسي صورت نمي گيرد، مانند برج هاي سيني دار.
اما در دستگاه هاي عملياتي ديفرانسيلي تمامي نقاط داخلي دستگاه محل تماس دو فاز است، مانند برج هاي پرشده.

به طور کلی برج ها متشکل از یک استوانه اند که بدنه آنها را تشکیل می دهد. این استوانه معمولاً از فلز ساخته می شود و فرآیندهای جداسازی در داخل آن انجام می گردد. برج ها را از نظر ساختمان داخلی به انواع برج های سینی دار، پرشده، جداره مرطوب و سینی دار باران زا تقسیم بندی
می کنند.

 تغییر حالت مواد

·   فاز: مواد موجود در طبیعت به سه حالت جامد، مایع و بخار می باشند که هر یک از این
حالت ها را فاز می گویند.

·      چند فازی: سیستمی که ترکیبی از دو یا سه فاز جامد، مایع و بخار باشد را چند فازی می گویند.

·   منحنی تعادل: برای هر ماده خاص سه منحنی تعادل جامد - مایع، جامد - گاز و مایع - گاز وجود دارد که نقاط مربوط به این منحنی در حال تعادل با هم بوده و می توانند با هر نسبتی در مجاورت هم باقی بمانند. نقطه تقاطع این سه منحنی را نقطه سه گانه گویند.

·   بخار اشباع و مایع اشباع: دو فاز بخار و مایعی که مربوط به نقطه ای از منحنی فشار بخار باشد را به ترتیب بخار اشباع و مایع اشباع گویند.

·        گاز اشباع: گازی است که در دمای  گاز، بخار با مایع در تعادل است.

·         رطوبت اشباع: رطوبت گاز هنگامي كه در يك دماي معين با بخار سير شده باشد.

·    بخار (گاز) داغ: چنانچه درجه حرارت بخار (گاز) از درجه حرارت مربوط به حالت اشباع بیشتر گردد بخار (گاز) را داغ گویند.

·   نقطه سه گانه: این نقطه شرایطی را مشخص می کند که تحت آن شرایط هر سه حالت جامد مایع و بخار از یک ماده در مجاورت یکدیگر وجود دارند.

·        گاز: هرگاه درجه حرارت بخاری از درجه حرارت بحرانی آن بیشترگردد بخار را گاز می نامند.

·    نقطه جوش (Bubble Point): به ازاء هر فشار، درجه حرارتی که از منحنی فشار بخار هر مایع بدست می آید نقطه جوش آن مایع در فشار مربوطه است. چنانچه فشار مورد نظر atm 1 باشد نقطه جوش مربوطه را نقطه جوش نرمال گویند.

·   نقطه شبنم (Dew Point): دمايي كه درآن گاز با بخار، سير شده است. اگر گاز خنك شود، شبنم دمايي است كه درآن اولين ميعان صورت مي گيرد.

·        نقطه ذوب (Melting Point): دمایی که ماده از حالت جامد به حالت مایع تبدیل می شود را نقطه ذوب گویند.

·   میعان یا چگالش (Condensation): تغییر حالت ماده از فاز گاز به مایع را گویند. این عمل همراه با آزاد شدن گرمای نهان تبخیر (Latent Heat of Vaporization) است.

·   تبخیر (Vaporization): تغییر حالت ماده از فاز مایع به گاز را گویند. این عمل همراه با جذب گرمای نهان تبخیر (Latent Heat of Vaporization) است.

·   انجماد (Freezing): تغییر حالت ماده از فاز مایع به جامد را گویند. این عمل همراه با آزاد شدن گرمای نهان ذوب (Latent Heat of Fusion) است.

·   ذوب (Fusion): تغییر حالت ماده از فاز مایع به جامد را گویند. این عمل همراه با جذب گرمای نهان ذوب (Latent Heat of Fusion) است.

·   تبرید (Refrigeration): تغییر حالت ماده از فاز گاز به جامد را گویند. این عمل همراه با آزاد شدن گرمای نهان تصعید (Latent Heat of Sublimation) است.

·   تصعید (Sublimation): تغییر حالت ماده از فاز جامد به گاز را گویند. این عمل همراه با جذب گرمای نهان تصعید (Latent Heat of Sublimation) است.