عمليات واحد

1. عمليات واحد 2

2. عمليات انتقال جرم • بسياري از عمليات مهندسي شيمي با مسئله تغيير غلظت در محلول ها و مخلوط ها سروكار دارند . • اين تغييرات الزاما توسط واكنش هاي شيميايي صورت نمي گيرد . • اين عمليات بيشتر به جداسازي مخلوط ها به سازنده هاي آنها مربوط مي گردد .

3. غالبا“ قسمت اعظم هزينه هاي يك فرايند صرف عمليات جداسازي مي گردد . • عمليات انتقال جرم بوسيله انتقال يك ماده به داخل ديگر در مقياس مولكولي مشخص ميشوند . • در عمليات انتقال جرم هيچ يك از دو فاز در حال تعادل حاوي تنها يك جز نخواهد بود .

4. وقتي دو فاز بايكديگر تماس پيدا مي كنند ، بلافاصله به تعادل نمي رسند . سيستم به مرور زمان در اثر نفوذ سازنده ها از يك فاز به فاز ديگر به تعادل نزديك ميشوند . لذا جداسازي هرگز كامل نخواهد بود . • وجود سه فاز مختلف يعني گاز – مايع – جامد امكان مجاور شدن دو فاز با يكديگر را در 6 صورت فراهم ميسازد : 1)گاز – گاز : • به جز در موارد استثنايي تمام گازها در اين حالت با يكديگر مخلوط ميشوند و لذا فرايند امكان پذير نيست .

5. 2 ) گاز مايع : • تقطير : اگر كليه سازنده هاي يك سيستم در حال تعادل بين دو فاز توزيع شوند عمل را تقطير گويند . در تقطير فاز گاز در اثر حرارت دادن فاز مايع توليد ميشود . • جذب گاز Gas Absorption اگر هر دو فاز محلول بوده و يك سازنده بين دو فاز توزيع گردد . چنانچه انتقال از گاز به مايع باشد جذب گاز و در صورت انتقال از مايع به گاز دفع گاز Stripping گويند .

6. رطوبت دادن Humidification اگر فاز مايع فقط از يك جزء تشكيل شده باشد ولي فاز گاز دو يا چند سازنده اي باشد عمل را رطوبت دادن گويند .

7. 3 ) گاز جامد : • تصعيد جزء به جزء Fractional Sublimation اگر يك مخلوط متشكل از چند سازنده بطور نسبي تبخير شود ، بدون آنكه فاز مايعي پديد آيد ، بخارات حاصله و جامد باقي مانده هريك حاوي كليه سازنده ها اما با غلظت هاي متفاوت خواهد بود .

8. خشك كردنDrying اگر جامد از يك مايع فرار مرطوب شده باشد و در مجاورت گاز خشك قرار بگيرد ، رطوبت موجود در آن خارج شده و بدرون گاز نفوذ مي نمايد . اين عمل را خشك كردن و يا گاهي دفع Desorptionگويند . • جذب سطحي Adsorption اگر نفوذ از فاز گاز به جامد صورت گيرد اين عمل را جذب سطحي گويند .

9. 4 ) مايع – مايع : استخراج مايع Extraction عمليات جداسازي كه در آنها دو فاز نامحلول مايع بايكديگر تماس داده ميشوند تا يك جزء بين آنها انتقال يابند

10. 5 ) مايع – جامد : تبلور جز به جزFractional Crystallizationوقتي كليه سازنده ها در دو فاز نامحلول در تماس بايكديگذ قرار بگيرند عمل را تبلور جزبه جز نامند . استخراج با حلالLeaching جداسازي انتخابي يك سازنده از يك مخلوط جامد توسط يك حلال مايع استخراج با حلال ناميده ميشود .

11. جذب سطحيAdsorption نفوذ از مايع به سطح جامد را جذب سطحي گويند . 6 ) جامد – جامد : بدليل سرعت پايين انجام نمي شود .

12. جداسازي فازها با استفاده از غشا نقش غشا ها جلوگيري از مخلوط شدن دو فاز محلول در يكديگر است . گاز – گاز : عبور سازنده ها با شدت گوناگون بسته به جرم مولكولي از غشا گاز ـ مايع: عبور از غشائي كه توانايي حل كردن يك جز محلول را دارد . مايع – مايع : جدا سازي از حلال مايع و غشائئ كه بتواند فقط بلورهاي حل شده در حلال فوق را از خود عبور دهد (دياليز) جداسازي حلال از محلول (اسمز)

13. عمليات مستقيم و غير مستقيم در عمليات مستقيم در اثر افزايش يا كاهش حرارت دو فاز از يك فاز اوليه بدست مي آيند .مانند تقطير و.... در عمليات غير مستقيم يك جسم خارجي به سيستم افزوده ميشود . مانند جذب گاز و...

14. اصول طراحي در طراحي هر واحد مربوط به انتقال جرم چهار عامل اصلي مي بايست تعيين گردد كه عبارتند از : • تعداد مراحل ايده آل • زمان لازم براي تماس فازها • شدت جريانهاي مجاز • انرژي مورد نياز

15. در عمليات مرحله اي زمان لازم تماس دو فاز به بازده مرحله اي مربوط ميشود . • در عمليات پيوسته تعيين كننده حجم و يا طول دستگاه خواهد بود .

16. تعداد مراحل ايده آل براي تعيين تعداد مراحل ايده آل لازم جهت جداسازي مشخصي بطور عمليات مرحله اي و يا معادل آنها در يك عمل تماس پيوسته دانستن مشخصات تعادلي سيستم و موازنه هاي جرم ضروري خواهد بود .

17. شدت جريانهاي مجاز در اعمال نيمه پيوسته و پايا پيش مي آيد كه براساس آن سطح مقطع دستگاه محاسه مي شود انرژي هاي مورد نياز انرژي حرارتي و مكانيكي در عمليات انتقال جرم مورد استفاده قرار مي گيرد

18. واحد يك واحد عبارت است از يك وسيله و يا مجموعه اي از وسايل كه در آن دو فاز غير محلول در يكديگر در تماس مستقيم با هم قرار ميدهند و در نتيجه انتقال جرم بين فازها بمنظور نزديك كردن آنها بحالت تعادل صورت ميگيرد و سپس فازها بروش مكانيكي از هم جدا ميشوند .

19. رطوبت دهي و رطوبت زدايي Humidification • ( فصل 7 تريبال ) • تعاريف • آنتالپي • منحنی نم سنجي • اختلاط دو جريان گاز مرطوب • رطوبت دهي • رطوبت زدايي • برج هاي خنك كن آب • برج هاي رطوبت افزا • مسائل

20. تعاريف : • مقدمه : • فرايندهايي كه در اين فصل بررسي ميشود در باره انتقال جرم و انرژي بين فازهاست كه در نتيجه تماس يك گاز با يك مايع خالص كه گاز در آن نامحلول است روي مي دهد . • رطوبت :Y • جرم بخار همراه با واحد جرم گاز خشك Y‎ • رطوبت مطلق و رطوبت گراونر نيز به آن مي گويند . • Y= Ma.Pa / Mb(P – Pa) • فشار كل P فشار جزئي بخار در گاز Pa • رطوبت اشباع : ‎Ys • رطوبت يك گاز وقتي از بخارآب اشباعشده باشد .

21. رطوبت درصدي (درصد اشباع - درصد رطوبت مطلق ) : • 100 Y / Ys • 100 Pa (P – Pas)/ Pas (P – Pa) • گرماي مرطوب : Cs • گرماي لازم براي اينكه دماي واحد جرم گاز خشك و بخار همراه آن در فشار ثابت يك درجه افزايش يابد . • Cs = Cb – YCa • Cs = 1 + 1.9 Y (Kj/KgK) W&A • Cb = گرماي ويژه گاز • Ca = گرماي ويژه مايع • حجم مرطوب : Vh • حجم اشغال شده توسط واحد جرم گاز خشك و بخار همراه آن مي باشد .

22. حجم مرطوب :Vh = • حجم اشغال شده توسط واحد جرم گاز خشك و بخار همراه آن مي باشد Y =Ysحجم مرطوب یکمخلوط اشباع با شرط • Y = Yحجم مرطوب یک مخلوط خشک با شرط 0 • حجم مرطوب یک مخلوط اشباع نشده از میانیابی خطی مخاوط های صد در صد اشباع و گاز خشک در همان دما بدست می آید .

23. تعاريف : نقطه شبنم : دمايي كه تا آن دما اگر گاز در رطوبت ثابت خنك شود با بخاراشباع مي شود . رطوبت نسبي درصدي (اشباع نسبي) RH فشار جزئئ بخار در گاز ( P / Psat ) *100 = = فشار بخار در گاز اشباع

24. 100% Y نقطه شبنم Tdp

25. دماي حباب تر :(Tw) • دماي حباب ترعبارتست از دماي غير تعادلي و پايايي كه جرم كوچكي از مايعي كه در شرايط آدياباتيك در معرض جريان پيوسته گازي قرار دارد به آن مي رسد . • Tg– Tw = lw (Ys – Y )/ (hg/Ky) • Ky : ضريب انتقال جرم • Hg : ضريب انتقال حرارت

26. وقتي جريان گاز سير نشده اي از روي سطح يك مايع عبور كند رطوبت آن گاز در اثر تبخير مايع افزايش مي يابد . دماي مايع كمتر از دماي گاز ميشود و گرما از گاز به مايع منتقل ميشود . در حالت تعادل انتقال گرما از گاز به مايع دقيقا با سرعت جذب گرماي مايع برابري مي كند .و گفته ميشود مايع داراي دماي تر مخزن است .

27. دماي اشباع آدياباتيك : اگر گاز از روي مايع طوري عبور كند كه زمان تماس بين آنها كافي باشد يا بر روي گاز پاشيده شود تا تعادل تثبيت گردد . گاز سير مي شود و هر دو فاز داراي دماي يكسان ميشود . در سيستمي كه از نظر گرمايي نا رسانا باشد مقدار كل گرماي محسوس به اندازه گرماي نهان تبخير مايع تبخير شده كاهش مي يابد .در اثر تداوم عبور گاز ، دماي مايع به تدريج به دماي تعادل مي رسد كه چنين دمايي را دمايي را دماي سير شده آدياباتيك مي نامند . مكانيسم تحول حباب مرطوب در اساس بتا مكانيسم فرايند اشباع آدياباتيك يكي است بجز آنكه در تحول حباب مرطوب رطوبت مخلوط گاز در حين تحول تغيير نمي كند .

28. Ys – Y = (Cs/lw)(T –Tas)=? اگر رابطه Cs = hg/Ky بر قرار باشد ، دماي سير شده آدياباتيك برابر با دماي تر مخزن است . اين در حاليستكه براي بيشتر سيستم هاي آب و هوا وجود دارد . نسبت h / (Ky . Cs) = b به نسبت نم سنجي معروف است و براي سيستم آب و هوا b = 1 وبه این رابطهرابطه لوئيس گفته ميشود . مقدار تقريبيhg/Ky = 950 j/kg دمای اشباع آدیاباتیک دمایی است که اگر هوا با آب در آن دما برخورد نماید سرد و مرطوب خواهد شد . در نهایت T2= T1 = Tas YS ≥Y2 >Y1 Tas ≤ Tg2 <Tg1

29. آنتالپي • انرژي داخلي يك ماده ، عبارت است از كل انرژي موجود در ماده است كه در اثر جنبش و استقرار نسبي اتمها و مولكولهاي سازنده آن ماده حاصل ميشود . مقدار آنتالپي يك ماده نا معلوم است اما با انتخاب يك مرجع مناسب و با فرض آنكه آنتالپي سيستم در آن حالت برابر صفر باشد آنتالپي نسبي در شرايط ديگر را ميتوان محاسبه كرد . براي مشخص كردن حالت مرجع بايد دما و فشار و حالت ماده تعيين شود . • در جدول بخار آب آنتالپي هاي نسبي در مقايسه با آنتالپي اين ماده به حالت مايع صفر درجه سليسيوس ودر تحت فشار بخار آن در دماي مذكور داده شده است . • فاصله عمودي بين منحنيهاي نشانگر گرماي نهانتبخير ميباشد.

30. A' A H Tg • نمودار B بخار اشباع E λBC مایع اشباع λED C D T0

31. تغيير آنتالپي بين دو حالت مانند نقاط A,D را ميتوان برابر تفاضل عرض هاي نقاط مذكور در نظر گرفت : • Hd–Hc =گرماي ملموس مايع • Hc–Hb = گرماي نهان تبخير • Hb– Ha = گرماي ملموس بخار • آنتالپي يك مخلوط گاز و بخار برابر با مجموع آنتالپي هاي گازو بخار موجود در مخلوط است . • مخلوطي از گاز خشك به جرم واحد و بخار همراه آن به جرم Y را در دماي حباب خشك Tg در نظر مي گيريم . • Ha = Hg + Yhv • Hg = Cb(Tg – T0) • Hv = Ca(Tg – Tb) + Cal(Tc – T0 ) + l bc

32. در فشار پايين كه معمولا عمل مرطوب سازي صورت ميگيرد ، بجاي عمل بر روي خط فشار ثابت A مي توان بر روي خط فشار ثابت A’ با تقريب عمل نمود . Hv = Ca ( Tg – T0) + l ed HA'= Cb (Tg – T0) +Y [ Ca (Tg – T0) +l ] =Cs(Tg – T0) + Y l آنتالپي يك مخلوط را ميتوان با افزايش دما در رطوبت ثابت يا افزايش رطوبت در دماي ثابت بالابرد .

33. اطلاعات وروابط رطوبت سنجی برای سیستم هوا (B) – آب (ََA) در فشار یک اتمسفر استاندارد

34. اختلاط دو جريان گاز مرطوب : اختلاط دو گاز با رطوبت هاي ‎Y1,Y2 دماهاي ‏T1,T2 آنتالپي هاي H1,H2 را در نظر ميگيريم . گاز مخلوط داراي دماي ‏T آنتالپي H و رطوبت Y ميباشد . جرم گاز خشك گازهاي مورد نظر به ترتيب m1,m2,m ميباشند . M = m1+m2 m1Y1+m2Y2 = mY M1(Y – Y1) = m2(Y-Y2) نقطه m روي خط مستقيمي است كه دو نقطT1,Y1) , (T2,Y2) )را به هم متصل مي سازد . و داراي رطوبت Y ميباشد . Y = (m1Y1+m2Y2)/(m1+m2)

37. روش های رطوبت دهي : روشهاي زير را مي توان براي افزايش رطوبت گاز بكار برد : 1- بخار ممكن است مستقيما به گازاضافه شود (كمي دما بالا مي رود ) (نظبر قابلمه) 2- آب را ميتوان با سرعت جريان كافي در گاز پخش كرد تا تبخير آن رطوبت لازم را فراهم نماید. (دماي گاز پايين مي آيد )(نظیر فواره) 3- گاز را مي توان با جريان گازي كه داراي رطوبت بيشتر است مخلوط كرد . 4- گاز را ميتوان با آب در تماس قرار داد كه فقط قسمتي از مايع تبخير گردد . (عمل تبخير وقتي صورت مي گيرد كه دماي آب بالاتر از شبنم هوا باشد ).

38. براي حركت از نقطه a به نقطه b : • گرم كردن با هيتر تا نقطه c يا f • مرطوب كردن با كولر آب تا نقطه d يا h • گرم كردن با هيتر تا نقطه b • گرم كردن تا نقطه e با هيتر • سرد كردن با كولر تا نقطه b Y b h d a c e F T

39. هیتر : یک هیتر دما را در رطوبت ثابت افزایش می دهد . کندانسور :یک کندانسور رطوبت را کاهش می دهد .(دمای کندانسور کمتر از نقطه شبنم هواست ) کولر آبی : رطوبت گاز را در روی خط اشباع آدیاباتیک افزایش می دهد .(دمای آب برابر دمای اشباع آدیاباتیک هواست .(

40. روش های رطوبت زدايي : روشهاي زير را مي توان براي كاهش رطوبت گاز بكار برد : 1- هوا را ميتوان با يك سطح سرد كه ممكن است مايع و يا جامد باشد در تماس قرار داد و رطوبت آن را کم كرد . اگر دمایسطح پايين تر از نقطه شبنم گاز باشد ميعان صورت ميگيرد و دماي گاز پايين مي آيد . دماي سطح شروع به بالا رفتن مي كند زيرا گرماي نهان و محسوس از هوا به سطح منتقل ميشود . معمولا دما و رطوبت در مدت وقوع فرايند با هم همزمان كاهش مي يابد . هواي مجاور و در تماس با سطح تا پايينتر از نقطه شبنم سرد ميشود و بنابراين پيش از اين كه هواي دورتر فرصت سرد شدن داشته باشد ميعان بخار صورت ميگيرد .

41. 2- رطوبت را با متراكم كردن هوا مي توان كاهش داد . در مدت تراكم فشار جزئئ بخار افزايش مي يابد و به محض اينكه به فشار بخار اشباع رسيد ميعان صورت مي گيرد . • براي حركت از نقطه b به نقطه a : • سرد كردن با كندانسور از مسير d, c • گرم كردن با هيتر تا نقطه a Y d b c a T

42. برج هاي خنك كن آب :Cooling Tower عمل خنك كردن با انتقال گرما ي محسوس و همچنين سرمايش تبخيري صورت ميگيرد كه گرماي محسوس آب مقدار گرماي نهان تبخير را تامين مي كند . در مقياس بزرگ هوا و آب در برج خنك كن به طور ناهمسو در تماس با يكديگر قرار مي گيرند ، ممكن است در برج از وزش طبيعي يا وزش مكانيكي استفاده شود . آب از بالا به پايين روي يك سري تخته هاي چوبي كه سطح تماس بزرگي ايجاد مي كند مي ريزد و آشفتگي بيشتري در مايع ايجاد ميشود . هوا در حين بالا رفتن گرما و رطوبت مي گيرد .

43. حد دمايي كه آب مي تواند سردشود دمايحباب مرطوب هوا در هنگام ورود است در پايين برج : 1 ) دما هوا ميتواند بيشتر از دماي آب باشد ، اما آب خنك ميشود زيرا رطوبتسطح مشترك بيشتر از رطوبت در توده گاز است و در نتيجه نيروي محركي براي انتقال جرم بخار آب وجود دارد . 2 ) اگر دماي هواي ورودي كمتر از دماي آب خروجي باشد . شيب ها هم شكلند اما انتقال گرماي محسوس كمتري در فيلم گاز وجود دارد . در تمام حالت ها دما در فصل مشترك بايد بيشتر از دما ي حباب خيس باشد زيرا اگر برابر باشد تمام گرماي تبخير از گاز گرفته ميشود و شيب دمايي در آب وجود ندارد و آب خنك نمي شود .

44. در بالاي برج : گرماي انتقال يافته از آب به فصل مشترك براي گرمايش هوا و تامين گرماي تبخير بكار مي رود . گرچه سرمايش آب بر اثر تبخير خيلي بيشتر از سرمايش ناشي از انتقال گرماي محسوس به هواست ولي دماي گاز خروجي معمولا چند درجه كمتر از دماي آب ورودي است . منحني تعادل : منحني تعادل در برج هاي خنك كن آب منحنيآنتالپي اشباع در منحني نم سنجي آب است . كه داده هاي تعادلي آن به شرح مقابل وبصورت ثابت در فشار نرمال داده شده است :

45. دما Centhalpy of dry air (j/kg) 30 10( 29360 ) 40 15 60 20( 57570 ) 80 25 100 30(100030) 130 35 170 40(166790) 220 45 280 50 (275580) 470 60(461500) 70850 801600

46. Hg(sat) = Cs.Tg+Ys.l0 Cs = (1005+1884Y) J/Kg. ̊c Hg(sat)*= (100S+1884Ys)+Ys.l0 H = (1005+1884Y)t+2502300Y (j/kg air) VH = (0.00283 + 0.00456Y)(th+273) m3 Mix/kg air Cs =1005 + 1884Y (j/kg air. ̊c) Hg/Ky = 950 j/kg.k = خط كاركرد برج : خط كاركرد برج خطي است با شيب LCl/Gكه از (Tl1,Hg1) مي گذرد و خط افقي Tl2 را قطع ميكند .

47.  Ntg= ارتفاع برج خنك كن : • اگر بتوان تمام مقاومت در مقابل انتقال گرما و جرم را در فاز گاز حساب كرد : Gسرعت جرمي گاز Ky ضريب انتقال جرم .a سطح مشترك در واحد حجم ستون Hi آنتالپي گاز در سطح مشترك H* آنتالپي گاز در حال تعادل Ntg تعداد واحدهاي انتقال Htg ارتفاع هر واحد انتقال L سرعت جرمي مايع  Ntog = Z=

48. Hg2 Tg2 Hg Tl2 Tl2,Hg2 هوای خروجی، آب ورودی هوای ورودی، آب خروجی Tl1,Hg1 Hg1 Tg1 Tl1 Tl

49. H* • روش كار : • در دماهاي مختلف بين Tl1,Tl2 خطوط عمودي رسم مينماييم هر كجا خط تبادل را قطع كرد H و هر كجا خط تعادل را قطع نمود H* خواهد بود . سپس H*-H را محاسبه و عكس آن را نيز محاسبه ميكنيم . منحني را بر حسب H رسم كرده و سطح زير منحني را محاسبه ميكنيم . • ‏T H H* 1/(H*-H) H H T

50. برج هاي رطوبت افزا : • اگر كار اصلي برج اين باشد كه جرياني از هواي مرطوب توليد نمايد ، لازم نيست دماي نهايي مايع مشخص باشد ، اما رطوبت گاز خروجي از بالاي برج بايد به جاي آن داده شود . بنابراين در طراحي يك برج رطوبت افزايي لازم است دما و آنتالپي و سرانجام رطوبت گاز خروجي از برج محاسبه مي شوند . • در يك دستگاه رطوبت افزا كه در آن كمبود آب فقط بخش كوچكي از كل مايع در گردش را تشكيل ميدهد . دماي آن به طرف دماي سير شده آدياباتيك Tas نزديك ميشود و ثابت باقي مي ماند و بنابراين گراديان دما وجود ندارد . گاز در تماس با سطح مايع تقريبا سير شده و داراي رطوبت Hs است .