Separace (procesní inženýrství)

Proces separace používá různé fyzikální a chemické vlastnosti směsných látek k jejich vzájemnému oddělení. Oddělení směsí látek je jednou z nejdůležitějších základních procedurálních operací. Většina surovin a produktů chemických reakcí jsou směsi látek. Pro další zpracování je nutné je oddělit.

Mezi procesy separace patří také čištění odpadních vod a třídění recyklovatelných materiálů ze světelných a kompozitních obalů ( žlutý pytel ). V metalurgii je materiálová separace kovů přítomných jako tavenina shrnuta pod technickým termínem rafinace .

důležitost

Separační procesy mají velký ekonomický význam, protože jsou odpovědné za 40–90% použitého kapitálu a provozních nákladů průmyslové výroby. Použité separační procesy zahrnují praní, extrakci, lisování, sušení, čiření, odpařování, krystalizaci a filtraci. Často se provádí několik separačních procesů jeden po druhém. Separační procesy mají různé funkce:

  • Čištění surovin a produktů i separace vedlejších produktů
  • Recyklace rozpouštědel a nezreagovaných reaktantů ( suroviny )
  • Odstranění nečistot z odpadních vod a vzduchu

Klasifikace

Heterogenní směsi (např. Kapaliny a pevné látky ) lze oddělit mechanickými separačními procesy, jako je filtrace nebo centrifugace. Homogenní směsi lze oddělit pomocí molekulárních separačních procesů. Molekulární separační procesy jsou buď založené na rovnováze, nebo řízené rychlostí. V rovnovážných separačních procesech vznikají dvě nemísitelné fáze různého složení, příkladem je destilace (při destilaci má pára jiné složení než kapalina). Rychlostně řízené procesy jsou založeny na různých rychlostech přenosu sloučenin prostředím, jejichž příklady jsou adsorpce, iontová výměna nebo krystalizace.

Homogenní směs může být rozdělena do dvou fází pomocí „ oddělovače energie “, „ oddělovače hmoty “, bariéry nebo vnějších polí. Prostředky pro separaci energie vytvářejí druhou fázi (která se liší od první fáze složením a je s ní nemísitelná); zahrnují techniky nejčastěji používané v průmyslu. Například přidání tepla (uvolňovacího činidla) do kapaliny (první fáze) vede k tvorbě páry (druhá fáze). Prostředky pro uvolňování látky jsou další chemikálie nebo látky. Jsou absorbovat nebo rozpouštět jeden z produktů selektivně, jsou buď v kapalné formě (pro sorpci, extrakční destilací nebo extrakcí), nebo ve formě pevné látky (adsorpcí nebo výměnou iontů). Použití bariéry, která zadržuje pouze jednu ze dvou sloučenin, ale nikoli druhou ( semipermeabilní membrány ), je při jejich aplikaci méně časté; externí pole se používají pouze ve speciálních aplikacích.

Procesy tepelné separace

Procesy tepelné separace jsou všechny procesy separace založené na nastolení termodynamické fázové rovnováhy . V zásadě existují tři různé separační procesy.

Oddělení v důsledku bodu varu

  1. Během rektifikace a destilace je nastolena rovnováha mezi kapalnou fází a plynnou fází (nebo plynnou fází). K separaci zde dochází opakovaným odpařováním a kondenzací. Tato metoda funguje dobře pro komponenty s velmi různými body varu , ale selže pro azeotropické systémy . Metody používané k separaci azeotropních směsí jsou například
  2. Během sušení je zajištěna distribuční rovnováha mezi kapalnou a pevnou látkou a plynnou fází. Sušení je jedním z nejběžnějších procesů tepelné separace.
  3. Během stripování se látky (např. Vlhkost) desorpčními procesy přenášejí z kapalné fáze do plynné fáze . Za tímto účelem se kapalná fáze uvádí do kontaktu s plynem pomocí protiproudého principu (pro sušení suchým plynem, který může absorbovat vodní páru).
  4. Hoření s cílem změnit vlastnosti látky .

Oddělení v důsledku bodu mrazu

  1. Při zamrzání se látka z roztoku ukládá ochlazováním. Tento proces se používá pro komponenty s velmi různými body tuhnutí a v některých případech pro separaci azeotropních systémů. V procesním inženýrství se zmrazení nazývá přechodem na pevnou látku krystalizace . Rozlišuje se mezi statickou (diskontinuální) a dynamickou (kontinuální) krystalizací.

Oddělení sublimací

  1. V případě sublimace se těleso mění přímo z pevného stavu agregace do plynného stavu agregace. Potom se sublimovaná látka ukládá na chladný povrch v pevném stavu agregace. Pokud se tlak par sublimace kontaminace dostatečně liší od hodnotného materiálu, který se má regenerovat, je tento zřídka používaný proces tepelné separace účinný. Metoda sublimace se většinou používá v laboratorním měřítku. Jedním příkladem zvětšení v technicky a ekonomicky relevantních rozměrech je lyofilizace .

Separace v důsledku rozpustnosti

Rozpustnost je vlastnost materiálu, která je někdy spojena s další separační účinky.

Procesy mechanické separace

Tyto mechanické separační procesy pouze rozdíly mechanických vlastností složek. Mohou to být také vizuální nebo optické reflexní prvky.

  • Probíhá cílené odstraňování
  • Řazení podle oddělení součtu
  • Separace výbuchem vzduchu z. B. kávových zrn podle pražené barvy „smradových zrn“ s vysokým obsahem oleje

Oddělení v důsledku smáčivosti povrchu

  • Flotace je separační proces, při kterém se jemnozrnné pevné směsi separují ve vodné suspenzi (suspenzi) pomocí vzduchových bublin v důsledku odlišné smáčivosti částic.

Oddělení v důsledku hustoty

Rozdíly v hustotě směsí látek lze použít následujícími metodami.

Oddělení kvůli velikosti částic

Oddělení v důsledku setrvačnosti částic

Při použití pohybů lze k separaci použít setrvačnost částic.

Oddělení díky magnetizovatelnosti

Pro vlastnosti magnetického materiálu se používá magnetizovatelnost .

Oddělení v důsledku elektrické mobility

Separace v důsledku chemických reakcí

Průběh reakcí mění fyzikální vlastnosti , které lze zase použít k separaci.

Proces zónového tavení pro získání vysoce čistých monokrystalů nebo kovů využívá skutečnosti, že nečistoty v tavenině mají energeticky příznivější chemické prostředí (nižší chemický potenciál ) než v pevném těle, a proto migrují z pevného tělesa do taveniny .

literatura

Individuální důkazy

  1. ^ A b c André B. de Haan, Hans Bosch: Průmyslové separační procesy: základy . De Gruyter, Berlín 2013, ISBN 978-3-11-030669-9 .