Concentrarea materiilor prime lichide Se realizeaza prin: - Evaporarea solventului - Dizolvarea unei cantitati suplimentare de reactant in solutie - Precipitarea impuritatilor dizolvate - Desorbtia impuritatilor gazoase - Extractie lichid-lichid - Distilare si rectificare Evaporarea Se foloseste pentru concentrarea solutiilor. Se poate realiza: - La T < Tf a solventului cand la fierbere pot aparea procese secundare, - La T > Tf a solventului in majoritatea cazurilor. Mecanism: la incalzire moleculele lichidului isi maresc energia, moleculele cu energie mare inving fortele de coeziune din lichid si de rezistenta a presiunii externe si trec in faza gazoasa. Caldura necesara vaporizarii se poate obtine prin: - Contactul direct intre lichidul de vaporizat si aerul cald sau gazele de ardere, - Incalzire indirecta de la un focar sau un purtator de caldura (abur). Contactul direct Gazele antreneaza vaporii rezultati. Evaporarea se face la T < Tf. Tehnici de contact direct: - Expunerea lichidului la actiunea aerului atmosferic, - Trecerea aerului sau gazelor de ardere paralel cu suprafata lichidului aflat in recipiente largi. - Barbotarea gazelor prin lichid. - Pulverizarea lichidului in aer sau intr-un turn prin care circula aerul sau gazele calde. Incalzirea indirecta Evaporarea se face la fierbere: - Sub vid. - La presiune atmosferica (in recipiente deschise). - La presiune ridicata. Procedee de evaporare: - Evaporarea simpla – cand vaporii secundari rezultati la evaporare nu se mai utilizeaza. - Evaporare cu efect multiplu – cand caldura aburului secundar se utilizeaza pentru incalzire in alte evaporatoare ale aceleiasi instalatii. Evaporarea simpla Bilant de masa Fie S kg de solutie diluata de conc. ci %. Concentratia dupa evaporarea a W kg solvent devine cf %.

⇒−

=⋅100

)(

100fi

cWScS

−=

f

i

c

cSW 1

Bilant termic Caldura consumata la evaporare

pvpa QWttcSQ +⋅+−⋅= λ)( 12

Caldura cedata de abur )( condensabur

apc ttcDQ −⋅=

Din egalitatea Qa = Qc => cantitatea de abur D necesara. Evaporatoare Cu schimbator de caldura vertical si tub central de circulatie Asigura o buna circulatie a solutiei in spatiul de fierbere. Pot fi folosite pentru concentrari pana la formare de cristale daca se adauga o camera de cristalizare.

1 – tevi fierbatoare; 2 – tub central de circulatie; 3 – spatiu de vapori; 4 – separator de picaturi Tubul central, avand un diametru mai mare, are rolul de a intensifica circulatia lichidului in evaporator: prin aceasta teava are loc intoarcerea curentului de lichid in partea inferioara a instalatiei. Circulatia in aparat se produce datorita diferentei de greutate a coloanei de lichid in teava de circulatie si in tevile de fierbere. Suprafata de schimb de caldura a fiecarei tevi de fierbere, corespunzatoare unitatii de volum de solutie de evaporat, este considerabil mai mare

decat in teava de circulatie (aceasta din urma avand diametrul mult mai mare). Prin urmare formarea de vapori in tevile de fierbere va decurge considerabil mai intens, iar greutatea specifica a solutiei din ele va fi mai mica decat greutatea specifica a solutiei din teava centrala. Din acest motiv se intensifica circulatia naturala a solutiei, se imbunatateste transmiterea caldurii si se micsoreaza formarea crustei in tevile de fierbere ale aparatului. Acest tip de evaporator se caracterizeaza prin simplicitatea constructiei, ceea ce permite sa se efectueze cu usurinta curatirea si reparatia lui. Se utilizeaza pentru evaporarea solutiilor cu vascozitate mare (datorita lungimii reduse a tevilor de incalzire) si a solutiilor care depun cruste si sedimente. Cu pelicula Datorita tevilor foarte lungi are loc ridicarea lichidului sub forma unui film pe peretele tevilor fierbatoare prin antrenare cu vaporii secundari. La o singura trecere prin tevile fierbatoare solutia diluata ajunge la concentratia finala.

1 – spatiu de vapori; 2 – separator; 3 – placi circulare; 4 – evacuare aer si gaze; 5 – camera de incalzire; 6 – tevi fierbatoare In evaporatorul cu pelicula are loc evaporarea intensa a solutiei in strat subtire. Suprafata de contact dintre solutie si vapori este considerabila, dar lipseste circulatia solutiei deoarece aceasta nu se intoarce la fundul aparatului. Se foloseste la evaporarea solutiilor sensibile la caldura, vascoase si care spumeaza puternic, deoarece bulele de gaz se sparg dupa ce se lovesc de separator. Nu se recomanda pentru evaporarea solutiilor foarte vascoase si a celor care cristalizeaza. Operatia este de scurta durata.

Sisteme de evaporare cu efect multiplu Principiu Utilizarea vaporilor secundari, iesiti dintr-un evaporator, ca abur de incalzire in evaporatorul urmator => Economie de abur Sisteme cu alimentare paralela Se folosesc pentru evaporarea solutiilor care cristalizeaza si pot fi greu circulate prin toate evaporatoarele. Nu se aplica pentru obtinerea solutiilor foarte concentrate.

Sisteme cu circulatie in echicurent Sunt cele mai utilizate Concentratia solutiei creste in directia de circulatie a aburului Trecerea solutiei dintr-un corp in altul se face fara pompa! Recomandate pentru solutii termosensibile. Inconvenient: tocmai in ultimele evaporatoare, unde temperatura este mai mica, lichidul are concentratie mare si vascozitate mare si, deci, coeficient mic de transfer termic.

Sisteme cu circulatie in contracurent Concentratia solutiei creste in sens invers cu sensul deplasarii aburului. Sunt necesare pompe pentru transferul solutiei. Se aplica solutiilor vascoase. Avantaj: solutia de concentratii mari fierbe in evaporatoare mai calde.

Sisteme cu circulatie in curent mixt Incearca sa foloseasca avantajele sistemelor precedente Se determina schema optima pentru fiecare caz. In majoritatea cazurilor, schema optima pentru instalatiile cu efect cuadruplu este 4 – 1 – 2 – 3.

Concentrarea materiilor prime gazoase Amestecurile gazoase sunt separate in componente prin: - Condensare succesiva realizata prin comprimare si racire - Evaporarea componentelor dintr-un amestec de gaze condensat - Procese de absorbtie-desorbtie - Procese de adsorbtie-desorbtie Diferenta dintre absorbtie si adsorbtie:

Absorbtia – desorbtia Cea mai raspandita metoda de separare-concentrare a amestecurilor gazoase. Principiu: unul dintre componente este absorbit la temperatura scazuta intr-un solvent selectiv. Se realizeaza intr-un absorber. Din absorber rezulta: - un gaz liber de componentul dizolvat in lichid, - un lichid ce contine componentul absorbit: solutie gaz-lichid. Solutia este incalzita intr-un schimbator de caldura si alimentata intr-un desorber => recuperarea gazului. Solventul este racit si retrimis in absorber.

1-absorber; 2-desorber; 3-schimbator de caldura; 4-racitor. Cresterea eficientei procesului de absorbtie se face prin: - Marirea interfetei dintre faze - Scaderea temperaturii - Cresterea presiunii Cresterea eficientei procesului de desorbtie se face prin: - Marirea interfetei dintre faze - Cresterea temperaturii - Scaderea presiunii Solventul utilizat trebuie sa indeplineasca urmatoarele conditii: - Capacitate mare de absorbtie, - Selectivitate fata de componentul-componentii absorbiti, - Vascozitate scazuta, - Sa permita desorbtia usoara, - Sa nu fie toxic si coroziv. Aparate utilizate: aparate tipice pentru procese de transfer de masa: - Coloane cu umplutura - Coloane cu talere perforate - Coloane cu talere si clopote - Turnuri cu pulverizare Coloana cu umplutura Cel mai utilizat absorber datorita avantajelor: - Suprafata mare de absorbtie pe unitatea de volum, - Constructie simpla => posibilitatea de a fi fabricat din materiale rezistente la coroziune, - Pierdere mica de presiune.

1-perete; 2-distribuitor; 3-grilaj; 4-umplutura: materiale ceramice, cuart, otel cu forme (ne)regulate. Buna functionare depinde de repartizarea uniforma a lichidului in stratul de umplutura. Maldistributia lichidului se datoreaza: - Formarii de canale in umplutura, - Curgerea preferentiala a lichidului in apropierea peretelui. => Scade eficacitatea operatiei. Debitul de lichid pentru ca intreaga suprafata a umpluturii sa fie umezita: 80 l/h pe metrul de periferie. Periferie = raportul dintre aria totala a umpluturii si inaltimea ei in absorber. Umplutura neasezata regulat are un efect de uniformizare a distributiei lichidului. Efectul dezavantajos al peretelui scade cu cat raportul d/D este mai mic. Se recomanda: d/D < 1/10. Coloane cu talere Gazul este dispersat in lichid prin barbotare. Eficienta separarii este mare.

1 – taler cu clopote; 2 – clopot; 3 – preaplin; 4 – tub de trecere a gazului; 5 – taler perforat; 6 – perete preaplin. Coloana cu talere si clopote Inconveniente: - Design complicat - Functionare costisitoare - La utilizarea unui alt lichid, lichidul vechi se inlatura dificil. Coloana cu talere perforate Caracteristici: - Presiunea si viteza gazului trebuie sa fie suficiente pentru a invinge presiunea stratului de lichid de pe taler si pentru a impiedica curgerea lichidului prin gauri. - Necesita o asezare perfect orizontala a talerelor. - Cand are loc o micsorare importanta a presiunii gazului, talerele se golesc complet si coloana trebuie pornita din nou. Coloana cu pulverizarea lichidului Caracteristici: - Contactul intim dintre faze se realizeaza prin pulverizarea lichidului cu dispozitive mecanice sau pneumatice. - Cel mai eficace absorber.

1 – corpul coloanei; 2, 3 – aspersoare (sprinklere). Adsorbtia Operatia de separare si purificare ce consta in retinerea la suprafata unui solid – adsorbantul – a unei substante din fluidul cu care acesta este in contact – adsorbatul. Caracteristici: - Retinerea particulelor de dimensiuni mici, de ex. coloizi - Retinerea unor componenti care se gasesc in concentratii minime, de ex. impuritati - Selectivitatea adsorbantilor fata de unii componenti din amestec Responsabile pentru adsorbtie sunt fortele de atractie disponibile ale solidului aflate inspre faza fluida si care sunt satisfacute prin retinerea moleculelor din faza exterioara. Dupa natura legaturii adsorbat-adsorbant, se disting: - Adsorbtia fizica – substanta adsorbita este retinuta in strat mono- sau polimolecular prin forte van der Waals, - Adsorbtia chimica – se stabilesc legaturi chimice intre adsorbat si adsorbant. Echilibrul de adsorbtie depinde de: - Natura celor doua faze (adsorbat – adsorbant). - Concentratia adsorbatului in faza fluida - Temperatura Echilibrul de adsorbtie se exprima cantitativ prin izoterma de adsorbtie: variatia cantitatii adsorbite (x) in functie de presiunea partiala a adsorbatului (p), la temperatura constanta. Izoterma Freundlich: x = apn, a, n = const., n <1.

Izoterme de adsorbtie ale unor hidrocarburi:

Consideratii practice: Capacitatea de adsorbtie = cantitatea adsorbita pe unitatea de masa sau de volum de adsorbant. Capacitatea de adsorbtie poate fi: - Statica: adsorbantul este in contact cu fluidul stationar de o anumita concentratie. - Dinamica: adsorbantul este strabatut continuu de fluidul care contine adsorbatul. Capacitatea de adsorbtie dinamica este intotdeauna inferioara celei statice. In cazul adsorbtiei fizice, randamentul creste cand: - Creste concentratia adsorbatului in faza fluida, - Procesul are loc la temperaturi scazute, - Adsorbantul are suprafata specifica ridicata. In chemosorbtie, randamentul maxim se obtine la un optim al temperaturii. Adsorbanti Materiale poroase cu suprafata specifica mare: - Carbune activ - Silicagelul - Alumina activata - Site moleculare zeolitice Adsorbtia statica Adsorbantul este introdus in fluidul ce contine adsorbatul. Procedeul se aplica mai mult pentru purificarea lichidelor. Exemple: eliminarea excesului de clor din apa cu carbune activ, rafinarea uleiurilor minerale sau vegetale, decolorarea siropului de zahar etc.

Adsorbtia dinamica Fluidul ce contine adsorbatul strabate un strat granular de adsorbant. Se foloseste in special pentru adsorbtia gazelor. Cel mai simplu adsorber este un recipient care contine adsorbantul. Un ciclu de adsorbtie este compus din trei faze: - Adsorbtia - Desorbtia-regenerarea - Racirea adsorbantului Faza de adsorbtie Gazul strabate – de obicei descendent – stratul de adsorbant. Se termina atunci cand in efluent apar urme de adsorbat (punct critic sau punct de strapungere) sau cand concentratia in efluent atinge o valoare prestabilita, de obicei 10 % din valoarea initiala.

In momentul τa, curand dupa inceputul procesului, se disting trei straturi: i) un strat superior (hasurat), la intrarea in adsorber, cu adsorbant saturat, ii) un strat reprezentand zona L, in care la acest moment se petrece efectiv adsorbtia si iii) stratul inferior de adsorbant in care nu a inceput inca adsorbtia. La iesire gazul contine numai urme (ca) de adsorbat. In momentul τb, starea adsorbantului este asemanatoare celei precedente, cu deosebirea ca zona efectiva de adsorbtie L s-a deplasat catre partea inferioara a adsorberului. Concentratia adsorbitului la iesire este cb, apropiata de ca. In momentul τc, zona de adsorbant saturat a crescut astfel incat zona L atinge nivelul inferior al adsorberului. Concentratia cc a adsorbatului la iesire incepe sa creasca repede. Acest moment corespunde punctului de strapungere (break point). In momentul τd, adsorbantul este saturat in cea mai mare parte a adsorberului, concentratia cd la iesire este apropiata de concentratia c0 de la intrare. In momentul τe, adsorbantul este in intregime saturat si concentratia adsorbatului in effluent (ce) este practic egala cu concentratia c0 de la intrare.

Desorbtia adsorbatului si regenerarea adsorbantului Se realizeaza prin aducerea adsorbantului in conditii favorabile desorbtiei: - Incalzire - Micsorarea presiunii totale - Micsorarea presiunii partiale - Cu aer cald pentru desorbtia gazelor neutile, de ex. desorbtia umiditatii de la uscarea gazelor. - Cu vapori de apa supraincalziti pentru recuperarea desorbitului valoros, de ex. desorbtia butanului, benzenului etc. Racirea adsorbantului Este necesara pentru reinceperea ciclului. Se face cu gaz inert rece. Instalatii de adsorbtie De regula functioneaza pseudo-continuu, cu doua sau mai multe adsorbere aflate la un moment dat in diferite faze ale ciclului. Instalatie cu doua adsorbere

1 – adsorber in adsorbtie; 2 – adsorber in regenerare; 3,4 – suflante; 5 – incalzitor; 6,7 – robinete cu patru cai;

Instalatie cu trei adsorbere

1 – adsorber in adsorbtie; 2 – adsorber de siguranta; R – adsorber in regenerare si racire