عملیات جداسازی در مهندسی شیمی

بطور کلی هدف بسیاری از عملیات در مهندسی شیمی، جداسازی اجزای یک محلول یا مخلوط از یکدیگر و یا دست‌یابی به یک ماده خاص از ترکیب یا مخلوط دو جزء یا چند جزء می‌باشد.آنچه که بعنوان عملیات جداسازی مورد نظر است، می‌تواند شامل جدا کردن اجزای یک مخلوط با استفاده از یک سری عملیات مکانیکی از قبیل فیلتر کردن، غربال کردن و... و یا جدا کردن اجزاء یک محلول (یا مخلوط همگن) به مواد خاص تشکیل دهنده آن باشد. عملیات جداسازی اجزاء یک محلول می‌تواند به همراه و یا بدون انجام واکنش شیمیایی صورت کیرد. بنابراین: بخش عمده‌ای از درس عملیات انتقال جرم عملیات جداسازی یک محلول بدون شیمیایی می‌باشد این عملیات جایگاه ویژه‌ای نسبت به بقیه عملیات دارند؛از جمله می‌توان تقطیر، جذب، متبلور سازی و.. را نام برد.البته سایر موارد و واحدهای عملیاتی نیز به نوبه خود پراهمیت هستند.

 

تعریف انتقال جِرم

انتقال جِرم مبحثی در مهندسی شیمی و یکی از شاخه‌های پدیده‌های انتقال است که به بررسی انتقال ماده در اثر اختلاف پتانسیل شیمیایی می‌پردازد.

در بسیاری از فرآیندهای صنعتی مهندسی شیمی تغییر غلظت ماده‌های درگیر در یک واکنش و ساخت فرآورده‌ای دیگر مورد نیاز است. در بسیاری از این جداسازی‌ها دگرگونی(تغییر) شیمیایی نداریم و خود ماده‌ها دست‌نخورده باقی می‌مانند. دگرگونی تنها فیزیکی بوده و به عبارت دیگر جداسازی انجام می‌دهیم. برای این جداسازی روش‌های گوناگونی است. برای نمونه محلول‌ها گاهی از روش تقطیر بهره می‌گیرند.

هر گونه حرکت ذرات مواد انتقال جرم نامیده نمی‌شود مانند بوییدن گل یا انتقال نفت از راه خط لوله ولی حل شدن قند در آب یا عصاره‌کشی با استفاده از حلال^[۱] انتقال جرم است

قانون نفوذ فیک

قانون نفوذ فیک نفوذ را از لحاظ آماری در محیط‌های پیوسته بررسی کرده و ضریب نفوذ(D) را تعریف می‌کند.

قانون نخست فیک

قانون نخست فیک برای نفوذ در حالت پایا به کار می‌رود. یعنی زمانی که اختلاف غلظت با گذشت زمان تغییر نمی‌کند و فقط به مکان وابسته است.

به گونه‌ای که

• J شار نفوذ است و بعد آن [L^-2 time^-1] و یکایش [mol m^-2 s^-1] است.
• D ضریب نفوذ و بعد آن [L² time^-1]و یکایش [m² s^-1] است.
• ɸ غلظت است وبعد آن [L^-3] و یکایش [mol m^-3] است.
• x فاصلهٔ نفوذ است و بعد آن طول([L])و یکایش [m] است.

D با سرعت متوسط ذرات رابطه مستقیم دارد که سرعت خود به دما، گرانروی سیال و اندازه ذرات وابستگی دارد.

 قانون دوم فیک

قانون دوم فیک بیشتر برای محیط‌های ناپایا استفاده می‌شود و به صورت زیر می‌باشد:

که ɸ غلظت ماده نفوذ کننده می‌باشد، t زمان و D ثابت نفوذ می‌باشد.

این قانون از نام آدولف فیک (سال ۱۸۵۵) گرفته شده‌است.

تخمين ضرايب انتقال جرم فاز مايع در برجهاي تقطير از نوع SCC

برجهاي با سيني هاي مخروطي چرخان (SCC2) از نمونه برجهاي تقطير جديدي هستند كه درجداسازي اسانس كاربرد گسترده اي پيدا كرده اند. از مزيت هاي قابل توجه اين برجها در مقايسه با برج هاي مشابه مي توان به افت فشار بسيار كم، راندمان انتقال جرم بالا و قابليت فرايند كردن خوراك حاوي ذرات جامد و معلق اشاره كرد. از آنجا كه مكانيزم انتقال جرم بين لايه مايع و گاز عبوري در اين برجها از نوع فيلمي است ، بنابراين مدلسازي و تخمين ضخامت لايه مايع روي مخروط چرخان جهت محاسبه ضرايب انتقال جرم از اهميت بالايي برخوردار است. جهت تخمين ضخايم فيلم مايع، از مدلهاي ناسلت و ماكاريف استفاده شده است كه به ترتيب خطائي حدود 7% و 30% در مقايسه با مقادير تجربي از خود نشان مي دهد. ضرايب انتقال جرم در فاز مايع، Kl ، نيز با استفاده از مدلهاي مذكور محاسبه شده اند. نتايج نشان مي دهد كه چنانچه از مدل ماكاريف و ناسلت براي بدست آوردن ضريب انتقال جرم استفاده شود، ميزان خطا در محاسبه Kl به ترتيب در حدود 500% و 250% مي باشند. در صورتيكه با استفاده از روابط [فرمولها در متن اصلي مقاله] ميزان خطا در محاسبه Kl به ترتيب به 25% و 30% كاهش مي يايد.

تقسیم‌بندی عملیات انتقال جرم

 

بطور کلی عملیات انتقال جرم را با توجه به نحوه تماس و قابلیت امتزاج پذیری دو فاز می‌توان به صورت زیر تقسیم بندی نمود .

• تماس مستقیم دو فاز غیر قابل امتزاج
• تماس مستقیم بین دو فاز قابل امتزاج
• تماس غیر مستقیم دو فاز که توسط غشاء از یکدیگر جدا شده اند

تماس مستقیم دو فاز غیر قابل امتزاج

تماس دو فاز غیر قابل امتزاج مهمترین و عمده‌ترین بخش از سه مجموعه تقسیم بندی فوق را شامل می‌شود هر یک از فازهای در حال تماس با یکدیگر می‌تواند شامل یک یا چند جزء باشد. پش از انجام انتقال جرم و رسیدن به تعادل ،اجزاء تشکیل دهنده فازها دارای غلظتهای متفاوتی در دو فاز خواهد بود. مثلا تماس دو فاز آب و تولوئن را در نظر بگیرید. در نقطه تعادلی (که انتقال جرمی صورت نمی‌گیرد)غلظت تولوئن در دو فاز یکی نیست .کلیه سیستمهای دو فازی در مقوله انتقال جرم قرار نمی‌گیرند. به عنوان مثال محلول نمکی را در نظر بگیرید که در حال تعادل با بخار آب می‌باشد؛ این بخارات حاوی نمک نیست و به هر حال با آنکه یک فاز خالص است اما انتقال جرم از فازی که حاوی نمک است به فاز دیکر (گاز) صورت نمی‌گیرد.