Erotusprosessit 2024 PDF

EROTUSPROSESSIT Luennot 2024 Esa Muurinen Oulun yliopisto Teknillinen tiedekunta Ympäristö- ja kemiantekniikka  1 SISÄLLYSLUETTELO 1 EROTUSPROSESSIT..............

EROTUSPROSESSIT Luennot 2024 Esa Muurinen Oulun yliopisto Teknillinen tiedekunta Ympäristö- ja kemiantekniikka  1 SISÄLLYSLUETTELO 1 EROTUSPROSESSIT............................................................................................................. 6 1.1 Kemianteollisuuden prosessit............................................................................................ 6 1.2 Erotuksen perusmenetelmät.............................................................................................. 8 1.3 Erotus faasin lisäyksellä tai muodostuksella.................................................................... 11 1.4 Erotus esteen avulla........................................................................................................ 17 1.5 Erotus kiintoaineen avulla............................................................................................... 18 1.6 Erotus ulkoisen kentän tai painovoiman avulla................................................................ 19 1.7 Komponenttien talteenottoaste ja tuotteiden puhtaus....................................................... 20 1.7.1 Jako-osuudet ja jakosuhteet...................................................................................... 20 1.7.2 Puhtauden ja koostumuksen määrittely..................................................................... 22 1.7.3 Erotussekvenssit...................................................................................................... 23 1.8 Erotustekijä..................................................................................................................... 24 1.9 Erotusmenetelmän valinta............................................................................................... 25 2 EROTUSMENETELMIEN TERMODYNAMIIKKA........................................................... 27 2.1 Taseet energialle, entropialle ja eksergialle..................................................................... 28 2.2 Faasitasapaino................................................................................................................. 32 2.2.1 Fugasiteetti ja aktiivisuuskerroin.............................................................................. 33 2.2.2 K-arvot.................................................................................................................... 35 2.3 Ratkaisumalli ideaalikaasulle ja ideaaliselle nesteseokselle............................................. 38 2.4 Graafiset korrelaatiot termodynaamisille ominaisuuksille................................................ 40 2.5 Epäideaaliset mallit termodynaamisille ominaisuuksille.................................................. 40 2.5.1 Tilanyhtälömallit...................................................................................................... 41 2.5.2 Termodynaamisten ominaisuuksien määrittäminen tilanyhtälöiden avulla................ 42 2.6 Nesteen aktiivisuuskerroinmallit.......................................................................................... 44 2.6.1 Aktiivisuuskertoimen määrittäminen Gibbs’in vapaan energian avulla.......................... 44 2.6.2 Regular-Solution malli eli Scatchard-Hildebrand menetelmä........................................ 45 2.6.3 Epäideaaliset nesteseokset........................................................................................ 46 2.6.4 Margules yhtälö....................................................................................................... 50 2.6.5 van Laar yhtälö........................................................................................................ 50 2.6.6 Paikallinen koostumus ja Wilson’in malli................................................................ 51 2.6.7 NRTL malli............................................................................................................. 54 2.6.8 UNIQUAC malli...................................................................................................... 55 2.6.9 UNIFAC malli......................................................................................................... 57  2 2.6.10 Neste-neste –tasapaino......................................................................................... 57 2.8 Mallin valinta.................................................................................................................. 58 3 YKSITTÄISET TASAPAINOVAIHEET JA FLASH LASKENTA...................................... 59 3.1 Gibbs’in faasisääntö ja vapausasteet................................................................................ 59 3.1.1 Gibbs’in faasisääntö................................................................................................. 59 3.2 Binääriset höyry-neste systeemit..................................................................................... 61 3.3 Binääriset atseotrooppiset systeemit................................................................................ 68 3.4 Paisunta-, kuplapiste- ja kastepistelaskut......................................................................... 71 3.4.1 Isoterminen flash..................................................................................................... 72 3.4.2 Kuplapiste ja kastepiste............................................................................................ 75 3.4.3 Adiabaattinen flash.................................................................................................. 76 3.5 Ternääriset neste-neste systeemit.................................................................................... 76 3.6 Kiinteä-neste systeemit................................................................................................... 78 3.6.1 Kiteytys................................................................................................................... 78 3.6.2 Nesteadsorptio......................................................................................................... 79 3.7 Kaasu-neste systeemit..................................................................................................... 80 3.8 Kaasu-kiinteä systeemit.................................................................................................. 81 3.8.1 Sublimoituminen ja härmistyminen.......................................................................... 81 3.8.2 Kaasun adsorptio..................................................................................................... 81 4 KASKADIT JA HYBRIDISYSTEEMIT............................................................................... 83 4.1 Kaskadityyppejä............................................................................................................. 84 4.2 Höyry-neste kaskadit monikomponenttiseoksille............................................................. 85 4.2.1 Yksiosaiset kaskadit................................................................................................. 85 4.2.2 Kaksiosaiset kaskadit............................................................................................... 89 5 LAIMEIDEN SEOSTEN ABSORPTIO JA STRIPPAUS...................................................... 90 5.1 Höyry-neste erotuslaitteita.............................................................................................. 90 5.1.1 Pohjakolonnit........................................................................................................... 90 5.1.2 Pakatut kolonnit....................................................................................................... 94 5.1.3 Spray- ja kuplakolonnit sekä sentrifugit................................................................... 96 5.1.4 Laitteen valinta........................................................................................................ 96 5.2 Yleisiä suunnitteluperiaatteita......................................................................................... 97 5.3 Tasapainovaiheiden lukumäärä....................................................................................... 98 5.4 Pohjakolonnin pohjatehokkuus ja kolonnin korkeus........................................................ 99 5.4.1 Kokonaistehokkuus.................................................................................................. 99 5.4.2 Pohjatehokkuus kolonnin toimintatiedoista............................................................ 100  3 5.4.3 Pohjatehokkuuden empiiriset korrelaatiot............................................................... 100 5.4.4 Puoliteoreettiset mallit – Murphree tehokkuudet.................................................... 102 5.4.4 Oldershaw kolonnin avulla tuotettu scaleup data.................................................... 105 5.4.5 Kolonnin korkeus................................................................................................... 105 5.5 Pohjakolonnien tulviminen, kolonnin läpimitta ja painehäviö........................................ 106 5.5.1 Tulviminen ja pohjan läpimitta.............................................................................. 106 5.5.2 Pohjan painehäviö.................................................................................................. 108 5.5.3 Muita häiriöitä pohjan virtauksissa......................................................................... 110 6 BINÄÄRISEOSTEN TISLAUS.......................................................................................... 110 6.1 Laitteiden suunnittelu.................................................................................................... 111 6.1.1 Suunnitteluun ja analyysiin vaikuttavia tekijöitä..................................................... 112 6.1.2 Alustavasti huomioitavia tekijöitä.......................................................................... 112 6.2 Graafinen Mccabe-Thiele menetelmä pohjakolonneille................................................. 112 6.2.1 Rikastusosan käyttöviiva........................................................................................ 115 6.2.2 Strippausosan käyttöviiva...................................................................................... 117 6.2.3 Syöttöpohja............................................................................................................ 119 6.2.4 Tasapainovaiheiden lukumäärä ja syöttökohta........................................................ 122 6.2.5 Rajoittavat olosuhteet............................................................................................. 123 6.3 McCabe-Thiele –menetelmän laajennuksia........................................................................ 125 6.3.1 Kolonnin toimintapaine.............................................................................................. 125 6.3.2 Lauhduttimen tyyppi................................................................................................... 126 6.3.3 Alijäähdytetty palautus............................................................................................... 129 6.3.4 Kiehuttajan tyyppi...................................................................................................... 130 6.3.5 Lauhduttimen ja kiehuttajan lämpötehot..................................................................... 131 6.3.6 Syötteen esilämmitys.................................................................................................. 132 6.3.7 Optimaalinen palautussuhde....................................................................................... 132 6.3.8 Suuri vaiheiden lukumäärä.......................................................................................... 133 6.3.9 Murphree höyrytehokkuuden käyttö............................................................................ 134 6.3.10 Useita syöttöjä, sivuvirtoja ja suora höyry................................................................. 135 7 NESTE-NESTE UUTTO TERNÄÄRISYSTEEMEISSÄ.................................................... 137 7.1 Uuttolaitteita................................................................................................................. 139 7.1.1 Sekoitus-laskeutus laitteet...................................................................................... 139 7.1.2 Spraykolonnit........................................................................................................ 140 7.1.3 Pakatut kolonnit..................................................................................................... 141 7.1.4 Pohjakolonnit......................................................................................................... 141  4 7.1.5 Mekaanisella sekoituksella varustetut kolonnit....................................................... 142 7.1.6 Teollisten uuttolaitteiden vertailua......................................................................... 144 7.2 Yleisiä suunnittelunäkökohtia....................................................................................... 146 7.2.1 Ternääridatan esittäminen...................................................................................... 147 8 APPROKSIMATIIVISET LASKENTAMENETELMÄT MONIKOMPONENTTISILLE MONIVAIHE-EROTUKSILLE.................................................................................................. 148 8.1 Fenske-Underwood-Gilliland (FUG) –menetelmä.............................................................. 149 8.1.1 Avainkomponenttien valinta.................................................................................. 150 8.1.2 Kolonnin toimintapaine.......................................................................................... 151 8.1.3 Fenske yhtälö minimipohjaluvulle......................................................................... 151 8.1.4 Ei-avainkomponenttien jako täydellä palautuksella................................................ 154 8.1.5 Underwood yhtälö minimipalautukselle................................................................. 154 8.1.6 Gilliladin korrelaatio.............................................................................................. 157 8.2 Kremserin ryhmämenetelmä......................................................................................... 159 8.2.1 Stripperit................................................................................................................ 159 8.2.2 Neste-nesteuutto.................................................................................................... 159 9 TASAPAINOPERUSTEISET LASKENTAMENETELMÄT MONIKOMPONENTTI- EROTUKSILLE......................................................................................................................... 161 9.1 Tasapainovaiheen teoreettinen malli.................................................................................. 161 9.2 Yhtälöiden ratkaiseminen.............................................................................................. 165 9.2.1 Tridiagonaalimatriisialgoritmi................................................................................ 165 9.2.2 Kuplapistemenetelmä tislaukselle.......................................................................... 167 10 TEHOSTETTU TISLAUS JA YLIKRIITTINEN UUTTO............................................... 175 10.1 Tehostettu tislaus....................................................................................................... 175 10.2 Ylikriittinen uutto...................................................................................................... 176 11 PANOSTISLAUS............................................................................................................ 178 11.1 Differentiaalinen tislaus............................................................................................. 179 11.2 Binäärinen panostislaus palautuksella........................................................................ 182 12 KALVOEROTUKSET..................................................................................................... 182 12.1 Kalvomateriaalit........................................................................................................ 184 12.2 Kalvomoduulit.......................................................................................................... 184 12.3 Dialyysi..................................................................................................................... 187 12.4 Elektrodialyysi.......................................................................................................... 190 12.5 Käänteisosmoosi....................................................................................................... 191 12.6 Kaasupermeaatio....................................................................................................... 192 12.7 Pervaporaatio............................................................................................................ 193  5 13 ADSORPTIO, IONINVAIHTO, KROMATOGRAFIA JA ELEKTROFOREESI............. 195 13.1 Sorbentit.......................................................................................................................... 196 13.1.1 Adsorbentit............................................................................................................... 197 13.1.2 Ioninvaihtajat............................................................................................................ 198 13.1.3 Kromatografiassa käytettävät sorbentit...................................................................... 198 13.2 Sorptiomenetelmissä käytettävät laitteet.......................................................................... 199 13.2.1 Adsorptio.................................................................................................................. 199 13.2.2 Ioninvaihto............................................................................................................... 199 13.2.3 Kromatografia.......................................................................................................... 200 14 KITEYTYS, HÄRMISTYMINEN JA HAIHDUTUS....................................................... 201 14.1 Kiteytyksen termodynamiikkaa....................................................................................... 203 14.1.1 Liukoisuus ja ainetase............................................................................................... 203 14.1.2 Energiataseet............................................................................................................ 205 14.2 Liuoskiteytyksessä käytettäviä laitteita............................................................................ 207 14.2.1 Panoskiteytys............................................................................................................ 207 14.2.2 Jatkuvatoimiset jäähdytetyt kiteyttimet..................................................................... 208 14.2.3 Jatkuvatoimiset haihduttavat vakuumikiteyttimet...................................................... 209 14.3 Sulakiteytys..................................................................................................................... 209 14.4 Härmistyminen................................................................................................................ 210 14.5 Haihdutus........................................................................................................................ 211 15 KIINTOAINEEN KUIVAUS........................................................................................... 212 15.1 Kuivauslaitteet.......................................................................................................... 212 15.1.1 Laitteiden luokittelu........................................................................................... 212 15.1.2 Panoskuivaajat................................................................................................... 213 15.1.3 Jatkuvatoimiset kuivaajat................................................................................... 214  6 1 EROTUSPROSESSIT Varhaisten sivilisaatioiden kehittämiä erotusprosesseja ovat: 1. uutto (metalleja malmeista, parfyymejä kukista, väriaineita kasveista, potaskaa (KOH) tuhkasta) 2. suolan erottaminen merivedestä haihduttamalla 3. nesteiden erotus tislaamalla Tämän lisäksi ihmisen elimistökin sisältää tärkeän erotusprosessin – munuaiset, jotka erottavat kalvoprosessin avulla verestä vettä ja kuona-aineita. 1.1 Kemianteollisuuden prosessit Kemianteollisuudessa valmistetaan tuotteita, joiden koostumukset poikkeavat raaka-aineista. Raaka- aineina voidaan käyttää: 1. luonnonmateriaaleja 2. kemiallisten prosessien välituotteita 3. kaupallisia kemikaaleja 4. jätteitä Öljynjalostamo (kuva 1.1) on esimerkki kemianteollisuuden prosessista. Sen tuotteet ovat riippuvaisia raakaöljyn lähteestä ja jalostamon yksikköprosesseista, joita ovat esimerkiksi  fraktiotislaus  alkylointi, jossa pieniä molekyylejä yhdistetään suuremmiksi  katalyyttinen reformointi, jossa hiilivetymolekyylien rakennetta muokataan  katalyyttinen krakkaus tai hydrokrakkaus, joissa suuria molekyylejä pilkotaan Kuva 1.1 Öljynjalostamon tuotteita.  7 Kemianteollisuuden laitos toimii joko panosprosessina, jatkuvatoimisena prosessina tai näiden välimuotona. Prosessin yksikköoperaatiot voivat olla ns. avainoperaatioita, joihin liittyy kemiallisen koostumuksen muutoksia, tai lisäoperaatioita, jotka ovat välttämättömiä avainoperaatioiden onnistumiselle, mutta niihin ei liity koostumuksen muutoksia. Avainoperaatioita ovat kemialliset reaktiot ja seosten erotukset. Lisäoperaatiota ovat mm. faasien erotus, lämmönsiirto, mekaaninen työ (pumput, kompressorit), sekoitus, aglomerointi, murskaus, jauhatus ja seulonta. Prosesseja kuvaamaan käytetään usein lohkokaavioita, joissa eri vaiheita yhdistävät virtauksen suuntaa kuvaavat nuolet. Kuva 1.2 esittää vetykloridin valmistusprosessia, jossa tuote on niin puhdas, ettei erotusprosessia tarvita. Kuva 1.2 Vedettömän HCl:n valmistusprosessi. Kemian teollisuuden prosessit sisältävät kuitenkin usein vähintään yhden reaktorin sekä yhden tai useamman erotuslinjan. Esimerkkinä tällaisesta prosessista on etyleenin hydraus etanoliksi. Prosessin keskeinen osa on katalyyttipartikkeleilla pakattu reaktori, joka toimii lämpötilassa 572 K ja paineessa 6,72 MPa. Siinä tapahtuu reaktio C2H4 + H2O C2H5OH Tasapainorajoitusten vuoksi konversio on vain 5% yhdellä katalyyttipatjan läpäisykerralla. Kierrättämällä reagoimatta jäänyt etyleeni takaisin reaktoriin saavutetaan kuitenkin lähes täydellinen etyleenin konversio. Prosessivirtojen kierrätys on hyvin yleistä kemian teollisuudessa. Jos raaka-aineena olisi puhdas etyleeni eikä sivureaktiota tapahtuisi, olisi kuvan 1.3 yksinkertainen prosessi mahdollinen. Kuva 1.3 Etyleenin hydraus etanoliksi (hypoteettinen prosessi).  8 Prosessissa on reaktori ja osittaislauhdutin, jolla reagoimaton etyleeni otetaan talteen, sekä tislauskolonni, joka tuottaa 93%:sta etanolia. Todellisuudessa etyleenisyötön epäpuhtaudet ja sivureaktiot, joihin ne yhdessä etyleenin kanssa osallistuvat, vaativat kuvan 1.4 selvästi monimutkaisemman prosessin käyttämistä. Kuva 1.4 Teollinen prosessi etyleenin hydraukseen etanoliksi 1.2 Erotuksen perusmenetelmät Seoksen syntyminen kemiallisista komponenteista on spontaani prosessi, joka ei vaadi ulkoista energiaa. Komponenttien erottaminen seoksesta sen sijaan ei ole spontaani prosessi, vaan vaatii energiaa. Erotettavassa seoksessa voi olla yksi tai useampia faaseja. Monifaasitapauksessa on usein edullista erottaa ensin faasit toisistaan. Kuva 1.5 esittää yleistä erotusprosessia. Syöte ja tuotteet voivat olla kaasuja, nesteitä tai kiintoaineita. Prosessiin kuuluu yksi tai useampia erotusoperaatioita. Tuotteiden koostumukset poikkeavat toisistaan ja ne voivat myös olla eri faaseissa. Jokaisessa erotusoperaatiossa seoksen komponentit siirtyvät tuotteisiin yhden tai useamman kuvassa 1.6 esitetyn erotusmenetelmän avulla. Erotus on harvoin täydellinen ja seoksen sisältäessä enemmän kuin kaksi komponenttia tarvitaan kaksi tai useampia erotusoperaatioita.  9 Kuva 1.5 Erotusprosessin yleiskuvaus. Yleisin erotusmenetelmä on esitetty kuvassa 1.6a. Siinä tuotefaasi syntyy lämpöenergian, mekaanisen työn tai paineen muutoksen seurauksena. Tähän ryhmään kuuluvia menetelmiä ovat tislaus, joka perustuu komponenttien kiehumispiste-eroon, ja kiteytys, joka perustuu komponenttien erilaisiin sulamispisteisiin. Kuvan 1.6b menetelmässä systeemiin lisätään jokin fluidifaasi, joka selektiivisesti absorboi, uuttaa tai strippaa halutut komponentit syötteestä. Tämän tyypin yleisimmät menetelmät ovat neste-nesteuutto, jossa lisätään syötteeseen liukenematon neste, ja absorptio, jossa höyrysyötteeseen lisätään korkealla kiehuvaa nestettä. Kuva 1.6 Erotuksen perusmenetelmät: (a) erotus faasinmuutoksella; (b) erotus faasinlisäyksellä; (c) erotus esteen avulla; (d) erotus kiintoaineen avulla; (e) erotus voimakentän tai gradientin avulla Kuvan 1.6c menetelmässä erotus tapahtuu esteen avulla. Este on yleisimmin polymeerikalvo. Syöte voi olla neste tai kaasu ja erotus perustuu komponenttien läpäisevyyseroihin. Kuvan 1.6d tapauksessa höyry- tai neste syöte saatetaan kontaktiin kiintoaineen kanssa. Kiintoaine on yleensä huokoisten partikkelien muodossa ja erotus perustuu syötteen komponenttien erilaisiin adsorboitumistaipumuksiin. Näiden lisäksi erotuksessa voidaan kuvan 1.6e mukaisesti käyttää ulkoisia voimia; esimerkiksi keskipakovoimaa, sähkökenttää jne. Erotuslaitteiden mittakaavan määrää aineensiirron nopeus. Aineensiirron ajavan voiman ja suunnan määrää poikkeama tasapainotilasta. Erotuksen onnistuminen riippuu seoksen molekulaaristen, termodynaamisten ja siirto- ominaisuuksien eroista. Merkittäviä ominaisuuksia ovat:  10 a) Molekulaariset ominaisuudet Moolimassa Polaarisuus van der Waals tilavuus Dielektrinen vakio van der Waals pinta-ala Sähköinen varaus Asentrinen tekijä Hitaussäde Dipolimomentti b) Termodynaamiset ja siirto-ominaisuudet Höyrynpaine Adsorbtiokyky Liukoisuus Diffuusiokyky Ominaisuuksien arvoja löytyy kirjallisuudesta ja simulointiohjelmistojen tietopankeista. Jos arvoja ei näistä ole saatavilla, tulee ne määrittää kokeellisesti. Esimerkki 1 Erotusmenetelmän soveltuvuus Binääriseoksille on ehdotettu erotusmenetelmiä. Selitä, miksi ehdotettu menetelmä toimii tai ei toimi. a) Ilman erotus tislaamalla happirikkaaksi tuotteeksi ja typpirikkaaksi tuotteeksi b) m-ksyleenin ja p-ksyleenin erotus tislaamalla c) Bentseenin ja sykloheksaanin erotus tislaamalla d) Isopropanolin ja veden erotus tislaamalla Ratkaisu a) Hapen normaali kiehumispiste on -183C ja typen -195,8C. Ero on riittävän suuri tislauksen onnistumiselle, mutta tarvittava toimintalämpötila nostaa kustannuksia. Pienillä ja kohtuullisilla tuotantomäärillä erotus on edullisempi tehdä adsorption tai kalvoprosessien avulla. b) M-ksyleenin normaali kiehumispiste on 139,3C ja p-ksyleenin 138,5C. Pienen kiehumispiste-eron vuoksi niiden erotus tislaamalla ei kannata. M-ksyleenin sulamispiste - 47,4C poikkeaa kuitenkin huomattavasti p-ksyleenin arvosta 13,2C. Tämä mahdollistaa kiteytyksen käytön erotusmenetelmänä. c) Bentseenin kiehumispiste 80,1C ja sykloheksaanin kiehumispiste 80,7C ovat niin lähellä toisiaan, ettei tislaus ole kannattavaa. Bentseenin sulamispiste 5,5C ja sykloheksaanin sulamispiste 6,5C ovat myös hyvin lähellä toisiaan, joten kiteytyskään ei ole sopiva erotusmenetelmä. Ne voidaan kuitenkin erottaa tislauksella lisäämällä seokseen fenolia, jonka kiehumispiste on 181,4C. Tällöin bentseenin haihtuvuus pienenee ja tuotteena saadaan lähes puhdasta sykloheksaania. Toinen tuote, joka on fenolin ja bentseenin seos, voidaan erottaa normaalin tislauksen avulla. d) Isopropanolin kiehumispisteen ollessa 82,3C ja veden 100,0C näyttäisi tislaus olevan sopiva erotusmenetelmä. Ne kuitenkin muodostavat lämpötilassa 80,4C ja paineessa 101,3 kPa minimiatseotroopin, joka sisältää 31,7 mol-% vettä ja 68,3 mol-% isopropanolia eikä erotus  11 yhdellä tislausvaiheella näin onnistu. Ne voidaan erottaa kaksivaiheisella tislauksella bentseenin läsnä ollessa. Ensimmäisen vaiheen tuotteina saadaan lähes puhdasta isopropanolia ja heterogeeninen kolmen komponentin atseotrooppi, joka jakaantuu kahdeksi faasiksi. Bentseenirikas faasi kierrätetään ensimmäiseen vaiheeseen ja vesirikas faasi syötetään toiseen vaiheeseen, jonka tuotteena saadaan lähes puhdasta vettä. Toinen tuote kierrätetään ensimmäiseen vaiheeseen. 1.3 Erotus faasin lisäyksellä tai muodostuksella Jos syöte muodostuu vain yhdestä faasista, tulee erotuksen mahdollistamiseksi muodostaa toinen erotettavissa oleva faasi. Toinen faasi voidaan saada aikaan energiaerotusagentin (ESA) ja massaerotusagentin (MSA) avulla. Käytettäessä ESA:ta erotettavaan seokseen tuodaan tai siitä poistetaan lämpöenergiaa tai se joko tekee tai siihen kohdistetaan mekaanista työtä. MSA voi olla joko kokonaan tai osittain liukenematon seoksen jonkin komponentin kanssa. Se voi myös olla täysin erotettavaan seokseen liukeneva. Tällöin sen tarkoituksena on muuttaa faasitasapainoa erotukselle edulliseen suuntaan. Kun molempia erotusagentteja käytetään samassa erotusprosessissa, kutsutaan prosessia uuttotislaukseksi. Käytettäessä MSA:ta joudutaan prosessiin lisäämään erotusvaihe sen talteen ottamiseksi. Koska talteenotto ei koskaan ole täydellistä, joudutaan MSA:ta jatkuvasti lisäämään prosessiin. Kun kaksi toisiinsa liukenematonta fluidia halutaan saattaa kontaktiin, käytetään yleensä tehokasta sekoitusta, jotta aineensiirto faasien välillä olisi mahdollisimman tehokasta ja nopeaa. Faasit erotetaan kontaktoinnin jälkeen yleensä joko paino- tai keskipakovoiman avulla. Taulukossa 1.1 on esitetty yleisimpiä erotusmenetelmiä. Tähdellä (*) merkittyjen menetelmien suunnittelumenetelmät ovat vakiintuneita ja niiden matemaattiset mallit yleensä löytyvät prosessien simulointiohjelmistoista. Kun syöteseoksen komponenttien haihtuvuudet eroavat merkittävästi toisistaan, voi osittainen lauhdutus tai osittainen höyrystäminen [(1) taulukossa 1.1] olla riittävä operaatio halutun erotuksen saavuttamiseksi. Vaihtoehtoisesti osittainen höyrystäminen voidaan toteuttaa flash eli paisuntahaihdutuksen (2) avulla alentamalla syötteen painetta. Molemmissa operaatioissa helpoiten haihtuvat komponentit rikastuvat höyryfaasiin ja vähemmän haihtuvat komponentit nestefaasiin. Faasit erotetaan yleensä painovoimaisesti. Hyvin usein erot komponenttien haihtuvuudessa ovat niin pieni, ettei riittävää erotus saada aikaan yksivaiheisella kahden faasin kontaktoinnilla. Tällöin yleensä harkitaan yleisimmän teollisen erotusmenetelmän eli tislauksen (3) käyttöä. Tislauksessa kolonnissa ylöspäin virtaava höyry ja alaspäin virtaava neste ovat kontaktissa useissa eri vaiheissa. Helpoiten haihtuvat komponentit rikastuvat höyryyn ja heikommin haihtuvat nestefaasiin. Syöttö ohjataan sopivaan kohtaan kolonnin huipun ja pohjan välillä. Syötön yläpuolista osaa kolonnista kutsutaan rikastusosaksi ja alapuolista osaa strippausosaksi. Kolonnin huipulta tulevasta höyrytuotteesta osa kondensoidaan lauhduttimessa ja palautetaan kolonnin huipulle. Näin saadaan aikaan nestevirtaus, joka on kontaktissa höyryn kanssa kolonnin eri vaiheissa eli pohjilla. Vastaavasti osa kolonnin pohjalta tulevasta nestetuotteesta höyrystetään kiehuttajassa ja palautetaan kolonnin pohjalle, jotta saadaan aikaan höyryvirtaus. Nestemäinen syöttö kasvattaa nestevirtausta syötön alapuolella ja höyrysyöttö vastaavasti höyryn virtausta syötön yläpuolella.  12 Jos seoksen komponenttien haihtuvuuserot ovat niin pieniä että tislauksessa tarvittaisiin enemmän kuin 100 kontaktivaihetta eli pohjaa, tulee harkita uuttotislauksen (4) käyttöä. Tällöin kolonniin syötetään lisäkomponentti eli MSA, joka kasvattaa syötteen komponenttien haihtuvuuseroa ja pienentää siten tarvittavaa pohjalukua. Yleensä MSA on huonommin haihtuva kuin syötön komponentit ja se syötetään lähelle kolonnin huippua. MSA erotetaan kolonnin pohjatuotteesta yleensä erillisessä tislauskolonnissa ja palautetaan uuttotislauskolonniin. Jos kolonnin hupulta saatavan höyryn kondensointi on vaikeaa, voidaan kolonnin huipulle syöttää nestemäinen MSA korvaamaan tislauksen normaali palausvirtaus. Menetelmää kutsutaan tällöin absorptioksi kiehutuksella (5). Jos syötevirta on höyryä eikä kolonnissa tarvita strippausosaa, on kyseessä tavanomainen absorptio (6). Absorbereissa ei yleensä tarvita ESA:ta ja toiminta tapahtuu ympäristön lämpötilassa sekä korotetussa paineessa. Syötehöyryn komponentit liukenevat nestemäiseen absorbenttiin liukoisuusominaisuuksiensa määräämällä tavalla. Taulukko 1.1 Faasin muodostamiseen tai lisäämiseen perustuvia erotusmenetelmiä 13 14 15  16 Absorptiolle vastakkainen operaatio on strippaus (7), jossa nesteseoksia erotetaan korotetussa lämpötilassa ja ympäristön paineessa strippaushöyryn avulla. Näin vältetään MSA:n avulla nesteen kiehuttaminen kolonnin pohjalla. Tämä on erityisen tärkeää, jos tuotteet eivät ole stabiileja kiehumislämpötilassa. Jos tarvittava erotusasteen saavuttaminen edellyttää pohjia syötön yläpuolella, käytetään stripperiä palautuksella (8). Jos stripperin pohjatuote on lämpöstabiili, voidaan osa siitä höyrystää palautettavaksi kolonniin. Tällöin kyseessä on strippaus kiehutuksella (9). Jos muodostuu minimiatseotrooppeja, voidaan erotukseen käyttää atseotrooppitislausta (10). Taulukon 1.1 esimerkissä MSA:na toimii n-butyyliasetaatti, joka muodostaa minimiatseotroopin veden kanssa mahdollistaen veden erottamisen etikkahaposta. Atseotrooppiseos saadaan kolonnin huipputuotteena eli tisleenä ja lähes puhdas etikkahappo pohjatuotteena. Tisle jakaantuu kondensoinnin jälkeen kahdeksi nestefaasiksi, joista n-butyyliasetaattifaasi palautetaan kolonniin. Neste-nesteuuttoa yhdellä (11) tai kahdella (12) liuottimella (engl. extraction) käytetään usein, kun tislaaminen ei ole kannattavaa esimerkiksi tuotteiden lämpöherkkyyden vuoksi. Liuottimen tulee selektiivisesti liuottaa syötteestä yksi komponentti tai haluttu komponenttifraktio. Liuottimen talteenottoa varten tarvitaan lisäerotusvaihe. Jos uutto tehdään liuottimen kriittisen pisteen yläpuolella olevassa lämpötilassa ja paineessa, kutsutaan menetelmää ylikriittiseksi uutoksi. Ylikriittisessä tilassa liukoisuusominaisuuksia voidaan muuttaa merkittävästi pienillä lämpötilan ja paineen muutoksilla. Useat kemikaalit myydään kuivan kiintoaineen muodossa, vaikka valmistusprosessi toimii nestefaasissa. Tällöin tuotteet tulee kuivata (13). Kuivaaminen edellyttää, että kiintoaineesta haihdutettavan nesteen höyrynpaine on suurempi kuin sen osapaine kuivauskaasuvirtauksessa. Haihdutukseksi (14) kutsutaan prosessia, jossa nestesyötteen komponentteja siirtyy höyryfaasiin lämmityksen seurauksena. Menetelmää käytetään yleisesti vesiliuosten konsentroinnissa. Kiteytystä (15) käytetään, kun tuotteeksi halutaan hienojakoista kiintoainetta. Se on puhdistusmenetelmä, jossa olosuhteet valitaan sellaisiksi, etteivät epäpuhtaudet saostu tuotteeseen. Liuoskiteytyksessä liuottimeen liuennut komponentti saostetaan jäähdyttämällä tai konsentroimalla seosta liuotinta haihduttamalla. Sublimoituminen on aineen muutos kiinteästä suoraan kaasumaiseksi. Ilmiötä sovelletaan teollisessa mittakaavassa erotettaessa epäpuhtauksia rikistä, puhdistettaessa bentsoehappoa ja elintarvikkeiden pakastekuivauksessa. Käänteistä ilmiötä kutsutaan härmistymiseksi (16) (engl. desublimation). Sitä sovelletaan mm. ftaalihappoanhydridin talteenotossa reaktorin kaasumaisesta tuotevirrasta. Neste-kiinteä uuttoa (17) käytetään metallurgisessa teollisuudessa sekä luontaistuote- ja elintarviketeollisuudessa. Jotta erotettava komponentti diffundoituisi riittävän nopeasti kiintoaineesta uuttoliuottimeen, joudutaan usein kiintoaineen partikkelikokoa pienentämään ennen uuttoa. Erotukseen voidaan käyttää pinta-aktiivisia aineita. Malmien vaahdotuksessa kiintoainepartikkelit kulkeutuvat nesteen läpi ja kiinnittyvät kaasukuplien pintaan. Vaahtoerotuksessa (18) pinta-aktiivisen aineen vaikutuksesta nestemäisen syötteen jokin komponentti kulkeutuu kaasukuplien pinnalle ja se erottuu vaahtona. Taulukossa 1.1 on esitetty yksinkertaisia esimerkkejä erotusmenetelmistä. Teolliset prosessit ovat hyvin usein selvästi monimutkaisempia.  17 1.4 Erotus esteen avulla Mikrohuokoisten ja ei-huokoisten kalvojen käyttö puoliläpäisevinä esteinä selektiivisen erotuksen aikaan saamiseksi yleistyy jatkuvasti. Kalvot valmistetaan etupäässä luonnonkuiduista tai synteettisistä kuiduista, mutta myös keraamisia materiaaleja ja metalleja käytetään. Kalvot valmistetaan arkkeina, putkina, onttokutuina tai kierrettyinä arkkeina. Useista kalvoista muodostetaan moduuleita tai patruunoita, jotka asennetaan erotuslaitteistoon. Mikrohuokoisissa kalvoissa erotukseen vaikuttaa merkittävästi komponenttien huokosdiffuusion nopeus. Ei-huokoisissa kalvoissa diffuusionopeuden lisäksi komponenttien liukoisuus kalvoon on merkittävä tekijä. Taulukossa 1.2 on esitetty kalvoerotusmenetelmiä. Osmoosissa (1) konsentraatiogradientti toimii ajavana voimana liuottimen diffuusiolle kalvon läpi. Käänteisosmoosissa (2) liuottimen siirtyminen konsentraatiogradienttia vastaan saadaan aikaan nostamalla syötepuolen paine suuremmaksi kuin osmoottinen paine. Dialyysissä (3) pienet liuenneet molekyylit kulkevat huokoisen kalvon läpi konsentraatiogradientin ajamana. Pienet molekyylit pääsevät kulkemaan mikrohuokoisten kalvojen läpi suurten molekyylien ja suspendoituneen kiintoaineen jäädessä syötepuolelle. Mikrosuodatuksessa (4) kalvon läpäisevät molekyylin, joiden läpimitta on 0,02…10 m. Ultrasuodatuksessa (5) kalvon läpäisevät 1…20 nm:n molekyylit. Jos halutaan, että vain alle 1 nm:n molekyylit läpäisevät kalvon, käytetään ei-huokoisia kalvoja ja menetelmää kutsutaan hypersuodatukseksi. Taulukko 1.2 Esteen käyttöön perustuvia erotusoperaatioita Jotta saavutetaan korkea tuotteen puhtausaste, tulee käänteisosmoosissa käyttää korkeaa painetta. Tällöin vaihtoehdoksi nousee pervaporaatio (6), jossa ei-huokoisen kalvon läpi kulkeneet  18 komponentit höyrystyvät. Menetelmää käytetään erityisesti atseotrooppiseosten erotukseen. Paine on siinä selvästi pienempi kuin käänteisosmoosissa, mutta faasin muutos vaatii energiaa. Kaasujen erotusta selektiivisen kaasupermeaation (7) avulla paineen toimiessa ajavana voimana käytettiin ensimmäisen kerran jo 1940-luvulla. Huokoisen hiilifluoridin avulla erotettiin 235UF6 ja 238 UF6. Erotus ko. menetelmällä vaati suuren sähköenergian käytön ja nykyään se toteutetaan edullisemmin sentrifugien avulla. Ei-huokoisia polymeerikalvoja käytetään vetypitoisuuden nostoon sitä sisältävissä seoksissa, hiilivetyjen talteenottoon kaasuseoksista ja tuottamaan happirikastettua ilmaa. Vain muutaman molekyylin paksuinen nestekalvo (8) voi muodostua pinta-aktiivisista seoksista kahden nestefaasin välille. Nestekalvoilla erotetaan mm. alkaaneja syklisistä hiilivedyistä. Vaihtoehtoisesti nestekalvo voidaan aikaan saada imeyttämällä mikrohuokosiin nestettä, joka sisältää esimerkiksi hiilidioksidin tai rikkivedyn aineensiirtoa nopeuttavaa komponenttia. 1.5 Erotus kiintoaineen avulla Kiintoainetta hyödyntäviä erotusprosesseja on esitetty taulukossa 1.3. Rakeinen materiaali tai pakkausmateriaali toimii joko itse adsorbenttina tai se voi toimia tukimateriaalina ohuelle adsorbenttikerrokselle. Adsorptiossa jokin komponentti kiinnittyy kiintoaineen pintaan. Adsorptiokapasiteetin tultua täyteen kiinteä adsorbentti regeneroidaan tai uusitaan. Taulukko 1.3 Erotus kiintoaineen avulla Adsorptiota (1) käytetään poistamaan syötteessä pieninä pitoisuuksina esiintyviä komponentteja. Adsorbentteina käytetään mm. aktiivihiiltä, alumiinioksidia, silikageelia sekä synteettisiä natrium tai kalsium alumiinisilikaatti zeoliitteja eli molekyyliseuloja. Adsorptiolaitteet eli adsoberit ovat yleensä  19 sylinterimäisiä laitteita, joita prosessissa on vähintään kaksi toisen ollessa toiminnassa ja toisen regeneroinnissa. Adsorbentin regeneroinnissa käytetään neljää menetelmää: 1. adsorboituneen komponentin eli adsorbaatin höyrystäminen kuuman kaasun avulla 2. adsorbaatin höyrystäminen painetta alentamalla 3. strippaus inertin virtauksen avulla ilman paineen tai lämpötilan muutosta 4. syrjäytys voimakkaammin adsorboituvan komponentin avulla Kromatografiassa (2) kaasu- tai nesteseoksia erotetaan pakatun pedin avulla. Peti voi koostua kiinteistä partikkeleista (kaasu-kiinteä kromatografia) tai inerteistä kiinteistä kappaleista, joiden pinnalla on viskoosia nestettä (kaasu-neste kromatografia). Selektiivinen adsorptio ja sitä seuraava desorptio aiheuttavat sen, että komponentit kulkevat pedin läpi eri nopeuksilla ja erottuvat siten. Ioninvaihto (3) muistuttaa adsorptiota siten, että siinäkin käytetään kiinteitä partikkeleita, jotka regeneroidaan käytön jälkeen. Adsorptiosta poiketen ioninvaihdossa tapahtuu kemiallinen reaktio. Esimerkiksi veden pehmennyksessä orgaaninen tai epäorgaaninen natriumia sisältävä polymeeri poistaa vedestä kalsiumioneja vaihtamalla ne natriumioneihin. Käytön jälkeen kalsiumilla saturoitunut polymeeri regeneroidaan suolaliuoksen avulla. 1.6 Erotus ulkoisen kentän tai painovoiman avulla Molekyylien ja ionien erilaista käyttäytymistä voimakentissä voidaan hyödyntää erotuksissa. Taulukossa 1.4 on listattu tähän perustuvia erotusmenetelmiä. Linkouksessa (1) aikaan saadaan painekenttä erottamaan seoksia komponenttien erilaisten moolimassojen perusteella. Sitä käytetään mm. uraaniheksafluoridin isotooppien 235UF6 ja 238UF6 ja suurten polymeerien erotukseen. Taulukko 1.4 Erotus kentän tai gradientin avulla Kun homogeeniseen seokseen aikaan saadaan lämpötilagradientti, on seurauksena terminen diffuusio (2). Sitä voidaan käyttää tehostamaan isotooppien permeaatioerotusta. Vesi sisältää 0,000149 atomiosaa deuteriumia. Kun vettä hajotetaan elektrolyysissä (3) vedyksi ja hapeksi, on deuteriumin konsentraatio syntyvässä vedyssä alempi kuin vedessä. Vuoteen 1953 saakka tämä oli ainoa menetelmä ydinreaktion hidastamiseen käytettävän raskaan veden (D2O) valmistamiseksi. Elektrodialyysissä (4) käytetään sähköisen varauksen omaavia kalvoja, jotka estävät saman merkkisen varauksen omaavien ionien läpäisyn. Menetelmää käytetään mm. suolan poistoon merivedestä. Elektroforeesissa (5) hyödynnetään varauksen omaavien kolloidien tai  20 suspendoituneiden komponenttien erilaisia kulkeutumisnopeuksia sähkökentässä. Positiivisesti varautuneet aineet (väriaineet, kolloidit) kulkeutuvat katodille ja useimmat pienet supendoituneet negatiivisesti varautuneet partikkelit kulkeutuvat anodille. Elektroforeesia ja kenttä-virtaus fraktiointia (6) käytetään erityisesti bioteknisissä erotuksissa. Jälkimmäisessä laminaarisesti virtaavaan syötteeseen kohdistetaan kohtisuorasti magneetti- tai sähkökenttä tai lämpötilagradientti. Tällöin komponenttikohtaiset kulkeutumisnopeudet muuttuvat ja saadaan aikaan erotus. 1.7 Komponenttien talteenottoaste ja tuotteiden puhtaus Jos kemiallisia reaktioita ei tapahdu ja prosessi toimii tasapainossa jatkuvatoimisesti, on C komponenttia sisältävässä seoksessa kunkin komponentin i virtausnopeus (mooli tai massa) syötössä ni(F) yhtä suuri kuin sen virtausnopeus tuotteissa ni(p). Tuotteiden lukumäärän ollessa N (𝐹) (𝑝) (1) (2) (𝑁−1) (𝑁) 𝑛𝑖 = ∑𝑁 𝑝=1 𝑛𝑖 = 𝑛𝑖 + 𝑛𝑖 + ⋯ + 𝑛𝑖 + 𝑛𝑖 (1-1) Jotta yhtälöstä saadaan ratkaistua ni(p) arvot tunnetulla ni(F):n arvolla, tarvitaan N-1 riippumatonta ni(p):n sisältävää lauseketta. Näin on koossa NC kappaletta yhtälöitä NC:lle tuntemattomalle muuttujalle. Jos yksifaasinen syöte sisältää C komponenttia, tarvitaan C(N-1) lisäyhtälöä. Jos erotusprosessissa on useita syötevirtauksia, on ni(F) niiden summa. 1.7.1 Jako-osuudet ja jakosuhteet Kemianteollisuuden laitokset suunnitellaan täyttämään tietyt saanto- ja tuotepuhtausvaatimukset. Kuvan 1.7 erotusprosessissa syöte on kiehutuksella varustetun absorberin pohjatuote. Absorberissa on poistettu etaani ja kevyemmät komponentit öljynjalostamon kaasu- ja nesteseoksista. Kuva 1.7 Hiilivetyjen talteenottoprosessi  21 Kuva 1.7 esittää kolmen tislauskolonnin sekvenssiä, jossa syötteen komponentit on listattu pienenevän suhteellisen haihtuvuuden mukaisesti. N-pentaania raskaammat eli suuremman moolimassan omaavat komponentit heksaanista (C6) undekaaniin (C11) on yhdistetty C6+ fraktioksi. Kolonnit erottavat syötteet neljäksi tuotteeksi. Ensimmäisestä kolonnista saadaan C5+ -rikas pohjatuote. Toisen kolonnin tisle on C3 -rikas. Kolmannen kolonnin tisle on iC4 -rikas ja sen pohjatuote nC4 -rikas. Jokaisessa kolonnissa syötteen komponenttien jakautumisen huippu- ja pohjatuotteisiin määräävät jako-osuudet tai jakosuhteet, jotka ovat riippuvaisia 1. komponenttien termodynaamisista ja siirto-ominaisuuksista 2. vaiheiden lukumäärästä 3. höyryn ja nesteen virtauksista kolonnissa Jako-osuus SF komponentille i erotuslaitteessa k on komponentin osuus ensimmäisessä tuotteessa (1) 𝑛𝑖,𝑘 𝑆𝐹𝑖,𝑘 = (𝐹) (1-2) 𝑛𝑖,𝑘 missä n(1) on komponentin virtausmäärä ensimmäisessä tuotteessa ja n(F) syötteessä. Vaihtoehtoisesti voidaan käyttää jakosuhdetta SR kahden tuotteen välillä (1) 𝑛𝑖,𝑘 𝑆𝐹𝑖,𝑘 𝑆𝑅𝑖,𝑘 = (2) = 1−𝑆𝐹𝑖,𝑘 (1-3) 𝑛𝑖,𝑘 Kuvan 1.7 erotusprosessin ainetaseen ollessa taulukon 1.5 mukainen, saadaan jako-osuuksille ja jakosuhteille taulukon 1.6 arvot. Taulukko 1.5 Hiilivetyjen talteenottoprosessin ainetase Taulukosta 1.5 nähdään, että vain kaksi tuotteista on suhteellisen puhtaita. Kolonnin 2 tisle eli virtaus 4 on lähes puhdasta propaania ja kolonnin 3 tisle eli virtaus 6 on lähes puhdasta isobutaania. Kolonnit on suunniteltu siten, että ne jakavat syötteen tuotteiksi ns. avainkomponenttien välistä kun komponentit on järjestetty pienenevän suhteellisen haihtuvuuden mukaan. Taulukon 1.6 vaakasuorat viivat osoittavat, että avainkomponentit kolonnissa 1 ovat nC4H10 ja C5H12, kolonnissa 2 C3H8 ja iC4H10 sekä kolonnissa 3 iC4H10 ja nC4H10. Taulukosta nähdään myös, että erotukset ovat teräviä (SF > 0,95 kevyelle avainkomponentille ja SF < 0,05 raskaalle avainkomponentille) paitsi kolonnissa 1.  22 Taulukko 1.6 Hiilivetyjen talteenottoprosessille lasketut jako-osuudet ja jakosuhteet Taulukosta 1.6 nähdään, että sekä SF että SR pienevät haihtuvuuden pienentyessä. Voimme lisäksi päätellä, että SF on parempi indikaattori erotusasteelle, koska se saa arvoja välillä [0,1]. SR:n arvot ovat välillä [0,]. Erotuksen onnistumisen mittarina voidaan käyttää myös komponentin prosentuaalista saantoa tuotteeseen. Nämä arvot on esitetty taulukon 1.6 viimeisessä sarakkeessa. Saannot ovat korkeita (>95%) paitsi pentaanin isomeereille. Toinen mahdollinen mittari on tuotteen puhtausaste. Kuvan 1.7 prosessin tuotteiden puhtausasteet ja vertailu niiden sekä kaupallisten tuotteiden puhtausvaatimusten välillä on esitetty taulukossa 1.7. Taulukko 1.7 Tuotteiden puhtausasteiden ja vaatimusten vertailu 1.7.2 Puhtauden ja koostumuksen määrittely Tuotepuhtaudet on taulukossa 1.7 esitetty mooliprosentteina (mol-%). Tätä määrittelyä käytetään yleisesti kaasuseoksille, joille mol-% ja tilavuusprosessi (vol-%) ovat samat. Kaasuseoksen koostumus ilmoitetaan usein myös mooliosuuksina. Nesteille käytetään yleisemmin painoprosentteja (p-%) tai massaosuuksia (). Pieninä määrinä kaasussa, nesteessä tai kiintoaineessa esiintyvien epäpuhtauksien pitoisuudet ilmaistaan yleensä miljoonanosina (ppm) tai miljardinosina (ppb). Erityisesti happoja tai emäksiä sisältävien vesiliuosten pitoisuudet esitetään usein molaarisuuden (M) avulla. Usein käytetään myös liuenneen ainemäärän suhdetta liuoksen kokonaismäärään (mol/l) tai (mM/l). Molaalisuudella (m) tarkoitetaan liuenneen aineen moolimäärän ja koko liuoksen massan suhdetta. Normaalisuus (N) kertoo ekvivalenttimassan suhteen liuoksen tilavuuteen. Seoksen  23 konsentraatio voidaan ilmoittaa ainemäärän tai massan suhteena seoksen kokonaistilavuuteen (mol/l, g/l, jne.). 1.7.3 Erotussekvenssit Kuvan 1.7 esittämä kolmen kolonnin prosessi on vain yksi viidestä vaihtoehtoisesta tislaussekvenssistä, joilla syöte voidaan erottaa neljäksi tuotteeksi siten että jokaisella kolonnilla on yhden syötevirran lisäksi yksi tisle- ja yksi pohjatuotevirta. Tarkastellaan hiilivetysyötettä, joka koostuu laskevassa haihtuvuusjärjestyksessä propaanista (C3), isobutaanista (iC4), n-butaanista (nC4), isopentaanista (iC5) ja n-pentaanista (nC5). Kun halutaan erottaa tuote kolmeksi lähes puhtaaksi tuotteeksi (C3, iC4, nC4) ja yhdeksi pentaanien seokseksi, voidaan käyttää viittä erilaista kolmen tislauskolonnin sekvenssiä, jotka on esitetty kuvassa 1.8. Kuva 1.8 Tislaussekvenssejä neljälle tuotteelle Jos tarvitaan vain kaksi tuotetta, voidaan käyttää yhtä kolonnia. Kolmelle tuotteelle on kaksi vaihtoehtoista sekvenssiä. Tuotteiden määrän kasvaessa vaihtoehtoisten sekvenssien määrä kasvaa voimakkaasti (taulukko 1.8).  24 Taulukko 1.8 Vaihtoehtoisten tislaussekvenssien lukumäärä Käytettävän tislaussekvenssin alustavaan valintaan voidaan käyttää seuraavia heuristisia sääntöjä: 1. Erota epästabiilit, korrodoivat tai kemiallisesti reagoivat komponentit mahdollisimman aikaisessa vaiheessa. 2. Pyri siihen, että lopputuotteet saadaan tisleinä. 3. Erota ensimmäisenä ne komponentit, joita on syötteessä eniten. 4. Suorita vaikeimmat erotukset niin, ettei muita komponentteja ole läsnä. 5. Erota viimeisenä ne tuotteet, joiden puhtausvaatimukset ovat korkeimmat. 6. Suosi sekvenssejä, jota mahdollistavat yhtä suuret tisle- ja pohjatuotevirtaukset kolonneissa. Sääntöjen soveltaminen ei edellytä kolonnien suunnittelua eikä kustannusarvioiden laatimista. Joissakin tapauksissa säännöt voivat olla ristiriitaisia, jolloin oikea valinta ei ole täysin selvä. Sääntöä 1 tulisi noudattaa aina, kun se on mahdollista. Jos energian hinta on korkea, tulisi sääntöä 6 noudattaa. Kun erotus on erityisen hankalaa, noudatetaan yleensä sääntöä 4. Tallainen tapaus on esimerkiksi saman aineen isomeerien erotus toisistaan. Kirjallisuudessa erotussekvenssin valintaan on esitetty tarkempia menetelmiä, jotka vaativat kolonnin suunnittelua ja kustannusten arviointia. Niissä tarkastellaan myös vaihtoehtoisten erotusmenetelmien käyttöä sekvensseissä. 1.8 Erotustekijä Useat taulukon 1.1 erotusoperaatioista eivät pysty tuottamaan terävää erotusta avainkomponenttien välille, jolloin niiden on mahdollista tuottaa vain yksi lähes puhdas tuote. Esimerkkejä tästä ovat operaatiot 1, 2, 6, 7, 8, 9, 11, 13, 14, 15, 16 ja 17. Niissä käytetään joko yhtä erotusvaihetta (1, 2, 13, 14, 15, 16 ja 17) tai syöte ohjataan monivaiheisen erotuslaitteen toiseen päähän (6, 7, 8, 9, ja 11). Yksittäisen avainkomponentin kohdalla saavutettava jakosuhde (SR), jako-osuus (SF), talteenottoaste tai tuotepuhtaus on riippuvainen useista tekijöistä: 1. Erotuslaitteesta poistuvien virtausten moolimäärien suhteesta 2. Termodynaamisista ominaisuuksista, aineensiirto-ominaisuuksista ja muista aineominaisuuksista Monivaiheisissa erotuslaitteissa myös vaiheiden lukumäärä ja niiden konfiguraatio ovat vaikuttavia tekijöitä. Jos syötevirta tulee kolonniin sen keskivaiheilla, on kolonnissa sekä rikastus- että strippausosat. Tällöin on mahdollista aikaan saada terävä erotus avainkomponenttien välille. Kevyt avainkomponentti puhdistuu rikastusosassa ja raskas avainkomponentti strippausosassa. Esimerkkejä  25 tällaisista erotusoperaatioista ovat taulukon 1.1 operaatiot 3, 4, 5, 10 ja 12. Näissä avainkomponenttien i ja j välisen suhteellisen erotusasteen mittarina voidaan käyttää erotustekijää, joka määritellään komponenttien jakaantumisena tuotteisiin 1 ja 2: (1) (2) 𝐶𝑖 𝐶𝑖 𝑆𝑃𝑖,𝑗 = (1) (2) (1-4) 𝐶𝑗 𝐶𝑗 missä C on pitoisuus. Jako-osuuksien ja jakosuhteiden avulla voidaan kirjoittaa: 𝑆𝑅 𝑆𝑃𝑖,𝑗 = 𝑆𝑅 𝑖 (1-5) 𝑗 𝑆𝐹 ⁄𝑆𝐹𝑗 𝑆𝑃𝑖,𝑗 = (1−𝑆𝐹 )𝑖 (1-6) 𝑖 1−𝑆𝐹𝑗 Erotuksessa saavutettava SP-arvo on riippuvainen vaiheiden lukumäärästä ja komponenttien ominaisuuksista. Komponentit i ja j sekä tuotteet 1 ja 2 valitaan siten, että SPi,j > 1. Tällöin suuri arvo tarkoittaa terävää erotusta ja pieni arvo ei-terävää erotusta. Kuvan 1.7 prosessille lasketut SP-arvot on esitetty taulukossa 1.9. Kolonnin 1 pieni arvo on seurausta siitä, ettei raskaan avainkomponentin (iC5H12) erottuminen ole terävää. Kolonnin 2 suuri arvo johtuu avainkomponenttien suuresta haihtuvuuserosta, josta seuraa suhteellisen helppo erotus. Taulukko 1.9 Avainkomponenttien erotustekijät hiilivetyjen talteenottoprosessissa 1.9 Erotusmenetelmän valinta Erotusmenetelmän valinnassa huomioitavia tärkeimpiä seikkoja on lueteltu taulukossa 1.10. Ne liittyvät syötteen ja tuotteen olosuhteisiin, ominaisuuksien eroihin, mahdollisen erotusmenetelmän ominaisuuksiin sekä taloudellisiin tekijöihin. Merkittävimmät syötteen olosuhteista ovat koostumus ja virtausmäärä. Muut olosuhteet voidaan yleensä sovittaa erotusmenetelmän mukaisiksi. Nestesyötteen höyrystäminen, höyrysyötteen kondensointi tai komprimointi kasvattavat kuitenkin erotuksen energian kulutusta merkittävästi. Erotusmenetelmät, jotka perustuvat esteiden tai kiintoaineen käyttöön, toimivat parhaiten laimeilla syötteillä. Tällöin tärkein valintakriteeri on vaadittu tuotteen puhtausaste. Muut olosuhteet voidaan säätää erotuksen jälkeen energian siirron avulla. On osoitettu, että kemikaalien talteenoton ja puhdistuksen kustannukset ovat voimakkaasti riippuvaisia syötteen konsentraatiosta. Tuotekomponentin syötepitoisuuden vaikutus lopputuotteen hintaan on esitetty kuvassa 1.10.  26 Taulukko 1.10 Sopivan erotusmenetelmän valintaan vaikuttavia tekijöitä Kuva 1.10 Tuotekomponentin syötepitoisuuden vaikutus hintaan Erotusmenetelmän teknologisen kehitysasteen on todettu vaikuttavan sen kaupalliseen käyttöön (kuva 1.11). Esteiden käyttöön perustuvat menetelmät ovat kalliimpia kuin kiintoainetta käyttävät tai faasin muutokseen tai lisäykseen perustuvat menetelmät. Kaikilla erotuslaitteilla on jokin maksimikoko. Tarvittaessa sitä suurempaa kapasiteettia joudutaan käyttämään rinnakkaisia laitteita. Elleivät koko ja valmistustekniset seikat ole rajoittavia tekijöitä, on yksittäisen erotuslaitteen kapasiteetin kaksinkertaistamisen tuottama lisäys investointikustannuksiin noin 60 %. Kahden rinnakkaisen laitteen tapauksessa lisäys on 100 %. Taulukossa 1.11 on listattu erotusmenetelmiä mittakaavan muutoksen helppouden mukaisessa järjestyksessä. Helppo mittakaavan muutos merkitsee luotettavien suunnittelumenetelmien olemassa oloa. Tästä seuraa se, ettei suunnittelun tueksi tarvita laboratoriokokeita, pilot-mittakaavan laitteistoja. Taulukon keskivaiheilla olevien  27 menetelmien suunnittelu yleensä vaatii laboratoriodatan tuottamista ja alimpana olevien menetelmien kohdalla joudutaan lisäksi tekemään pilot-mittakaavassa testejä. Kuva 1.11 Teknologisen kypsyyden ja käytön korrelaatio Taulukko 1.11 Yleisimpien erotusmenetelmien scale-up’in helppous Taulukossa 1.11 on myös esitetty kunkin erotusmenetelmän kohdalla arvio rinnakkaisten laitteiden käytön tarpeesta. Laitteiden maksimikoko määräytyy korkeus- ja kuljetusrajoitteiden mukaan. 2 EROTUSMENETELMIEN TERMODYNAMIIKKA Termodynaamiset ominaisuudet ovat merkittäviä erotusmenetelmien suunnittelussa. Ne ratkaisevat mm. menetelmän energian kulutuksen, faasitasapainot ja laitteiden mitoituksen. Termodynaamisia