Scheidingstechnologie

2017 by M.A. van der Veen and B. Eral

Praktische zaken• Docenten: M.A. van der Veen & Burak Eral• Rooster: zie Brightspace• Boeken:

Thermodynamics and Statistica Mechanics, M. Scott Shell (lessen van der Veen)Industrial Separation Processes, Andre de Haan & Hans Bosch (lessen Eral)

• Lessen van der Veen:Vragen hoorcolleges: m.a.vanderveen@tudelft.nlvragen oefeningen: a.m.gonzaleznelson@tudelft.nl

(Adrian Gonzalez Nelson)

Tentamen

3 deeltoesten (1/3+1/3+1/3 = eindcijfer)14 mei: les 1-44/5 juni: les 5-828 juni: les 9-13

1 hertentamenTe gebruiken op tentamen:• formularium mbt lessen van der Veen (krijg je dan)• open boek (Industrial Separation Processes, Andre de Haan &

Hans Bosch): Overhead, uitwerkingen van (oefen)opgaven, eerdere toetsen en/of tentamina zijn uitdrukkelijk niet toegestaan

Schrijf je voor tentamen nog voor de eerste deeltoets als je je puntenop BS na elk deeltoets wilt kunnen zien!!!

DestillatieThermodynamica Vloeistof-Damp evenwicht

Absorptie/extractieThermodynamica Vloeistof-Vloeistof evenwicht

(Reactieve) KristallisatieThermodynamica Vloeistof-Vast evenwicht

Thermodynamica Chemish evenwicht Colloidale ScheidingenThermodynamica Interfase evenwicht

J. Nanotechnol. Eng. Med 5(2), 021007

https://vimeo.com/106807085

http://www.hitekengineers.com/

liquid-liquid-extraction-column.html

http://www.live-destillation.de/

DestillatieThermodynamica Vloeistof-Damp evenwicht

Absorptie/extractieThermodynamica Vloeistof-Vloeistof evenwicht

Colloidale ScheidingenThermodynamica Interfase evenwicht

J. Nanotechnol. Eng. Med 5(2), 021007

http://www.hitekengineers.com/liquid-liquid-extraction-column.html

http://www.live-destillation.de/

(Reactieve) KristallisatieThermodynamica Vloeistof-Vast evenwichtThermodynamica Chemish evenwicht

https://vimeo.com/106807085

Inhoud deze les• Thermodynamica: algemene concepten• Thermodynamisch evenwicht• Leerdoelen:

- begrip en gebruik van volgende thermodynamische concepten: interne energie; open, gesloten en geïsoleerde systemen; intensieve en extensieve grootheden; 1ste en 2de hoofdwet

- gebruik kunnen maken van de fundamentele vergelijkingen en evenwichtscondities om relaties te kunnen afleiden (bv. de Clapeyronvergelijking, maar ook nieuwe relaties om oefeningen te kunnen oplossen)

- gebruik kunnen maken van de Gibbs faseregel- gebruik en begrip van fase-diagrammen- gebruik en begrip van de Clapeyron en Clausius-Clapeyron vergelijking- gebruik en begrip van de Antione correlatie- Oefeningen: beoordeel of je uitkomst wel zinvol isBoek: H 2.1, 2.2, 5.2, 6.1, 7.1, 7.10, 7.11, 10.1, 10.2

Thermodynamica

Systemen

omgeving omgeving omgeving

energie

materie

energie adiabatisch

OPEN GESLOTEN GEISOLEERD

Grootheden

• Extensief: afhankelijk van hoeveelheid materieV, H, G, E, N(aantal mol), n(aantal molecule)

• Intensief: onafhankelijk van hoeveelheid materieP, T, r, h, g

Welk type systeem zijn de pompoenstukjes?

A. Geïsoleerd systeemB. Gesloten systeemC. Open systeem Geïso

leerd syste

em

Gesloten sy

steem

Open syste

em

33% 33%33%

H 7.1

Welk type systeem is de pasta?

A. Geïsoleerd systeemB. Gesloten systeemC. Open systeem

Geïsoleerd sy

steem

Gesloten sy

steem

Open syste

em

33% 33%33%

H 7.1

Is entropie S een extensievegrootheid?

A. JaB. Nee

Ja Nee

50%50%

H 5.2

Is chemische potentiaal μ eenextensieve grootheid?

A. JaB. Nee

Ja Nee

50%50%

H 5.2

Interne energie E

Interne energie is alle energie van een systeem:

Kinetische Energie + Potentiele Energie- (mv2/)/2 - Chemische energie

- Electrische energie- Gravitationele energie- Nucleaire energie- …

Moeilijk exact te bepalen! We zijn geinteresseerd in verschillen

Transfer van energie

omgeving

E(om)

geslotensystem

E(gs)

werk

warmte

Transfer van energie

omgeving

E(om)

geslotensystem

E(gs)

werk

warmte

Transfer van energie

omgeving

E(om)

geslotensystem

E(s)

werk

warmte

DE(s) = Efinal(s)-Efinal(s)

Transfer van energie

omgeving

E(om)

geslotensystem

E(s)

werk

warmte

DE(s) = Efinal(s)-Efinal(s)DE(om) = Efinal(om)-Efinal(om)

Transfer van energie

omgeving

E(om)

geslotensystem

E(s)

werk

warmte

DE(s) = Efinal(s)-Einitial(s)DE(om) = Efinal(om)-Einitial(om)

DE(s) = -DE(om) 1ste Hoofdwet Thermodynamica

Tweede hoofdwet

“in een geïsoleerd systeem, kunnen allespontane processen enkel de totale entropie van het systeem verhogen”

Anders gezegd: een evenwicht van eengeïsoleerd systeem komt overeen met maximaliseren van de entropie van het systeem

H 4.5

Evenwichtscondities?

G = H – TS SMinimaal Maximaal

?H 7.1

Wat is de correcteevenwichtsconditie?

A. Voor systeem + bad geldt: G is minimaalB. Voor systeem + bad geldt: S is maximaal

Voor syste

em + bath geld..

Voor syste

em + bath geld..

50%50%P, T = cteP, T = cte

systemOmgeving/bad

Uitwisseling van volume enenergie

EntropieS=S(E, V, N)

Fundamentale vergelijkingen:

Geïntegreerde vorm (via Euler’s theorem):

dNT

dVTPdE

TdS µ

-+=1

dNPdVTdSdE µ+-=

H 2.2, 5.2NPVTSE µ+-=TN

TPV

TES µ

-+=

Multicomponent systemPotentiaal Gedifferentieerde vorm Geïntegreerde vormS(E,V, {N})

E(S,V, {N})

H(S,P, {N})

G(T,P, {N})

H 7.10,7.11

ii

i dNT

dVTPdE

TdS å-+=

µ1 å-+=i

ii

TN

TPV

TES µ

å+-=i

iiNPVTSE µå+-=i

iidNPdVTdSdE µ

PVEH +=

TSPVEG -+=

å++=i

iidNVdPTdSdH µ

å++-=i

iidNVdPSdTdG µ

Single component system, intensieve potentialen

Potentiaal per mol of per molecule

Gedifferentieerde vorm Geïntegreerde vorm

s(e,v)

e(s,v)

h(s,P)g(T,P)

dvTPde

Tds +=

1

TTPv

Tes µ

-+=

µ+-= PvTsePdvTdsde -=

vdPTdsdh +=

vdPsdTdg +-=

Pveh +=

TsPveg -+=

H 7.10,7.11

Nu weet je bijna alles!Vanuit de 1ste en 2de hoofdwet en de fundamentele

vergelijkingen kan je bijna alle thermodynamische relatiesafleiden

Fase evenwicht

Condities voor fase evenwicht

Wat moetgemaximaliseerd zijnvoor evenwicht tussenfase α en fase β?

H 10.1CO2

Dus μg = μl op evenwicht. Geldt dit:

• A. altijd• B. enkel bij constante P en T• C. enkel bij constante V en T• D. enkel bij constante T en P of cte T en V

H 10.1

P, T =cte è G minimaalbij evenwicht

en G=Nμ

Dus T < Tk :T > Tk :

Condities voor fase-evenwicht

H 10.1

Condities voor fase-evenwicht

A. 3

B. 2

C. 1

3 2 1

12%22%

65%

Tα = Tβ , Pα = Pβ , μα = μβ

Om een thermodynamische toestand te specifiëren, hebben we drievariabelen nodig S(E,V,N).

Als we de intensieve toestand willen specifieren, hebben we aan twee variabelen genoeg (s(e,v))

Hoeveel intensieve variabelen hebben we nodig om een fase-evenwichttussen twee fasen (vb. gas-vloeistof) te specifiëren?

H 10.1

Gibbs fasenregel

H 10.1

Gibbs fasenregel

H 10.1

Clapeyron vergelijking: relaties waar fase-evenwichten aan voldoen

• Op fase-evenwicht (dus op een faselijn) geldt:

• Herinner je de fundamentele vergelijking vooreen pure substantie:

dg = -sdT + vdP (en g =μ)

),(),( PTdPTd ba µµ =

H 10.2

Langs een damp-vloeistof faselijn

),(),( PTdPTd GL µµ =

vTh

dTdP

faselijn DD

=÷øö

çèæ

Clapeyron vergelijkingH 10.2

Langs een damp-vloeistof faselijn

Clausius-Clapeyron

2

lnTkh

dTPd

Bfaselijn

D=÷

øö

çèæ

H 10.2

÷÷ø

öççè

æ-

D-=÷÷

ø

öççè

æ

121

2 11lnTTk

hPP

B

Voor welke andere fase-evenwichten geldt Clausius-Clapeyron?

A. Vast-vloeistofB. Vast-gasC. Vast-vastD. Vloeistof-vloeistofE. Vast-vloeistof, vast-gas

en vast-vastF. Vast-vloeistof

en vloeistof-vloeistofVast-

vloeistof

Vast-gas

Vast-vast

Vloeistof-v

loeistof

Vast-vloeist

of, vast-

gasen...

Vast-vloeist

ofen vloeistof...

4%

75%

6%11%

2%2%

2

lnTkh

dTPd

Bfaselijn

D=÷

øö

çèæ

H 10.2

Oefening: als het kookpunt van een substantie 335 K is ondernormale condities en de verdampingsenthalpie is 92,1 kJ/mol, bereken dan

i) het kookpunt bij 5 atmii) de dampspanning van de component bij 300K?

A. i) 335 K, ii) 1 atmB. i) 335 K, ii) 0,996 atmC. i) 352 K, ii) 0,0211

atmD. i) 352 K, ii) 0,0326

atmE. i) 367 K, ii) 0,0211

atmF. i) 367 K, ii) 0,0326

atm i) 335 K, ii

) 1 atm

i) 335 K, ii

) 0,996 atm

i) 352 K, ii

) 0,0211 at

m

i) 352 K, ii

) 0,0326 atm

i) 367 K, ii

) 0,0211 atm

i) 367 K, ii

) 0,0326 atm

17% 17% 17%17%17%17%

H 10.2

Antoine correlatie

Clausius-Clapeyron

Met (T1, P1) als referentie

Lijkt op Antoine correlaties:

H 10.2

TcccTPvap

+-=

3

21)(ln

gebruik je bij destillatieberekeningen

÷÷ø

öççè

æ-

D-=÷÷

ø

öççè

æ

121

2 11lnTTk

hPP

B

TccTPvap 2

1)(ln -=

Waarom c3?

Videomateriaal! Let op een aantal annotaties voor grootheden zijn anders !Systemen en extensief/intensief: https://www.youtube.com/embed/dMK_W8JkrUQ?start=0&end=428&autoplay=1Interne energie en 1ste hoofdwet:https://www.youtube.com/embed/dMK_W8JkrUQ?start=436&end=759&autoplay=1https://www.youtube.com/embed/dMK_W8JkrUQ?start=816&end=1039&autoplay=1Gibbs fase-diagram:https://www.youtube.com/embed/o6LvdHU8hKI?start=685&end=1065&autoplay=1Gibbs fase-regel:https://www.youtube.com/embed/o6LvdHU8hKI?start=3902&end=4040&autoplay=1Clapeyron: (let op: g = "̅ (=G/n) ; s = ̅# (=S/n) ; v = $% (=S/n) )https://www.youtube.com/embed/o6LvdHU8hKI?start=1485&end=1873&autoplay=1Clausius-Clapeyron: (let op h =H (=H/n)https://www.youtube.com/embed/o6LvdHU8hKI?start=2514&end=2800&autoplay=1