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

Maat: px

Weergave met pagina beginnen:

Download "Scheidingstechnologie by M.A. van der Veen and B. Eral"

Peter Goossens
5 jaren geleden
Aantal bezoeken:

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

2 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: vragen oefeningen: (Adrian Gonzalez Nelson)

3 Tentamen 3 deeltoesten (1/3+1/3+1/3 = eindcijfer) 14 mei: les 1-4 4/5 juni: les juni: les hertentamen Te 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 punten op BS na elk deeltoets wilt kunnen zien!!!

4 Destillatie ThermodynamicaVloeistof-Damp evenwicht Absorptie/extractie ThermodynamicaVloeistof-Vloeistof evenwicht (Reactieve) Kristallisatie ThermodynamicaVloeistof-Vast evenwicht Thermodynamica Chemish evenwicht liquid-liquid-extraction-column.html Colloidale Scheidingen ThermodynamicaInterfase evenwicht J. Nanotechnol. Eng. Med 5(2),

5 Destillatie ThermodynamicaVloeistof-Damp evenwicht Absorptie/extractie ThermodynamicaVloeistof-Vloeistof evenwicht (Reactieve) Kristallisatie ThermodynamicaVloeistof-Vast evenwicht Thermodynamica Chemish evenwicht liquid-liquid-extraction-column.html Colloidale Scheidingen ThermodynamicaInterfase evenwicht J. Nanotechnol. Eng. Med 5(2),

6 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; 1 ste en 2 de hoofdwet - gebruik kunnen maken van de fundamentele vergelijkingen en evenwichtscondities om relaties te kunnen afleiden (bv. de Clapeyron vergelijking, 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 is Boek: H 2.1, 2.2, 5.2, 6.1, 7.1, 7.10, 7.11, 10.1, 10.2

7 Thermodynamica

8 Systemen OPEN GESLOTEN GEISOLEERD energie materie energie adiabatisch omgeving omgeving omgeving

9 Grootheden Extensief: afhankelijk van hoeveelheid materie V, H, G, E, N(aantal mol), n(aantal molecule) Intensief: onafhankelijk van hoeveelheid materie P, T, r, h, g

10 Welk type systeem zijn de pompoenstukjes? 33% 33% 33% A. Geïsoleerd systeem B. Gesloten systeem C. Open systeem Geïsoleerd systeem Gesloten systeem Open systeem H 7.1

11 Welk type systeem is de pasta? A. Geïsoleerd systeem B. Gesloten systeem C. Open systeem 33% 33% 33% Geïsoleerd systeem Gesloten systeem Open systeem H 7.1

12 Is entropie S een extensieve grootheid? A. Ja B. Nee 50% 50% Ja Nee H 5.2

13 Is chemische potentiaal μ een extensieve grootheid? A. Ja B. Nee 50% 50% Ja Nee H 5.2

14 Interne energie E Interne energie is alle energie van een systeem: Kinetische Energie + Potentiele Energie - (mv 2 /)/2 - Chemische energie - Electrische energie - Gravitationele energie - Nucleaire energie - Moeilijk exact te bepalen! We zijn geinteresseerd in verschillen

15 Transfer van energie gesloten system E(gs) werk warmte omgeving E(om)

16 Transfer van energie gesloten system E(gs) werk warmte omgeving E(om)

17 Transfer van energie gesloten system E(s) werk warmte omgeving E(om) DE(s) = E final (s)-e final (s)

18 Transfer van energie gesloten system E(s) werk warmte omgeving E(om) DE(om) = E final (om)-e final (om) DE(s) = E final (s)-e final (s)

19 Transfer van energie gesloten system E(s) werk warmte omgeving E(om) DE(om) = E final (om)-e initial (om) DE(s) = E final (s)-e initial (s) DE(s) = -DE(om) 1ste Hoofdwet Thermodynamica

20 Tweede hoofdwet in een geïsoleerd systeem, kunnen alle spontane processen enkel de totale entropie van het systeem verhogen Anders gezegd: een evenwicht van een geïsoleerd systeem komt overeen met maximaliseren van de entropie van het systeem H 4.5

21 Evenwichtscondities? G = H TS Minimaal S Maximaal? H 7.1

22 Wat is de correcte evenwichtsconditie? A. Voor systeem + bad geldt: G is minimaal B. Voor systeem + bad geldt: S is maximaal P, T = cte P, T = cte 50% 50% system Uitwisseling van volume en energie Omgeving/bad Voor systeem + bath geld.. Voor systeem + bath geld..

23 Entropie S=S(E, V, N) Fundamentale vergelijkingen: P µ ds = 1 de + dv - dn T T T de = TdS - PdV + µ dn Geïntegreerde vorm (via Euler s theorem): S E = T + PV T - µ N T E = TS - PV + µ N H 2.2, 5.2

24 Multicomponent system Potentiaal Gedifferentieerde vorm Geïntegreerde vorm S(E,V, {N}) E(S,V, {N}) H(S,P, {N}) G(T,P, {N}) 1 P ds = de + dv - T T å i +å de = TdS - PdV µ i +å dh = TdS + VdP µ i +å dg = - SdT + VdP µ i µ i dn T i dn i i dn i i dn i i S = E T + PV T -å i +å µ N i T E = TS - PV µ H = E + i PV G = E + PV -TS i i N i H 7.10,7.11

25 Single component system, intensieve potentialen Potentiaal per mol of per molecule s(e,v) e(s,v) Gedifferentieerde vorm Geïntegreerde vorm P ds = 1 de + dv e Pv µ T T s = + - T T T de = Tds - Pdv e = Ts - Pv + µ h(s,p) g(t,p) dh = Tds + vdp dg = -sdt + vdp h = e + Pv g = e + Pv -Ts H 7.10,7.11

26 Nu weet je bijna alles! Vanuit de 1ste en 2de hoofdwet en de fundamentele vergelijkingen kan je bijna alle thermodynamische relaties afleiden

27 Fase evenwicht

28 Condities voor fase evenwicht Wat moet gemaximaliseerd zijn voor evenwicht tussen fase α en fase β? CO 2 H 10.1

29 Dus μ g = μ l 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

30 Condities voor fase-evenwicht P, T =cte è G minimaal bij evenwicht en G=Nμ Dus T < T k : T > T k : H 10.1

31 Condities voor fase-evenwicht A. 3 B. 2 C. 1 T α = T β, P α = P β, μ α = μ β Om een thermodynamische toestand te specifiëren, hebben we drie variabelen 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-evenwicht tussen twee fasen (vb. gas-vloeistof) te specifiëren? 12% 65% 22% H 10.1

32 Gibbs fasenregel H 10.1

33 Gibbs fasenregel H 10.1

34 Clapeyron vergelijking: relaties waar faseevenwichten aan voldoen Op fase-evenwicht (dus op een faselijn) geldt: a b dµ ( T, P) = dµ ( T, P) Herinner je de fundamentele vergelijking voor een pure substantie: dg = -sdt + vdp (en g =μ) H 10.2

35 Langs een damp-vloeistof faselijn L dµ ( T, P) = dµ ( T, P) G æ ç è dp dt ö ø faselijn = Dh TDv Clapeyron vergelijking H 10.2

36 Langs een damp-vloeistof faselijn Clausius-Clapeyron 2 ln T k h dt P d B faselijn D = ø ö ç è æ H 10.2 ø ö ç ç è æ - D = - ø ö ç ç è æ ln T T k h P P B

37 Voor welke andere fase-evenwichten geldt Clausius-Clapeyron? æ ç è d lnp dt ö ø faselijn = Dh k T B 2 75% A. Vast-vloeistof B. Vast-gas C. Vast-vast D. Vloeistof-vloeistof E. Vast-vloeistof, vast-gas en vast-vast F. Vast-vloeistof en vloeistof-vloeistof Vast-vloeistof 4% Vast-gas 11% 6% 2% 2% Vast-vast Vloeistof-vloeistof Vast-vloeistof, vast-gasen... Vast-vloeistofen vloeistof... H 10.2

38 Oefening: als het kookpunt van een substantie 335 K is onder normale condities en de verdampingsenthalpie is 92,1 kj/mol, bereken dan i) het kookpunt bij 5 atm ii) de dampspanning van de component bij 300K? A. i) 335 K, ii) 1 atm B. i) 335 K, ii) 0,996 atm C. i) 352 K, ii) 0,0211 atm D. i) 352 K, ii) 0,0326 atm E. i) 367 K, ii) 0,0211 atm F. i) 367 K, ii) 0,0326 atm i) 335 K, ii) 1 atm 17% 17% 17% 17% 17% 17% i) 335 K, ii) 0,996 atm i) 352 K, ii) 0,0211 atm i) 352 K, ii) 0,0326 atm i) 367 K, ii) 0,0211 atm H 10.2 i) 367 K, ii) 0,0326 atm

39 Antoine correlatie Clausius-Clapeyron æ P ö Dh æ 1 ln ç = - ç è P1 ø kb èt Met (T 1, P 1 ) als referentie Lijkt op Antoine correlaties: - T 2 1 c P vap 2 ln ( T ) = c1 - T c P vap 2 ln ( T ) = c1 - c + T gebruik je bij destillatieberekeningen Waarom c 3? ö ø H 10.2

40 Videomateriaal! Let op een aantal annotaties voor grootheden zijn anders! Systemen en extensief/intensief: Interne energie en 1ste hoofdwet: Gibbs fase-diagram: Gibbs fase-regel: Clapeyron: (let op: g = " (=G/n) ; s = # (=S/n) ; v = $% (=S/n) ) Clausius-Clapeyron: (let op h =H (=H/n)

Vergelijkbare documenten

Thermodynamica 2 Thermodynamic relations of systems in equilibrium

Thermodynamica 2 Thermodynamic relations of systems in equilibrium Thijs J.H. Vlugt Engineering Thermodynamics Process and Energy Department Lecture 3 ovember 15, 2010 1 Today: Introductie van Gibbs energie