View
6
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Desztilláció
Vegyipari és biomérnöki műveletek segédanyag
Simándi Béla, Székely Edit
BME, Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék
1
A desztilláció altémakörei
• A desztilláció előfordulása az iparban, mintapéldák.
Jelentősége a múltban a jelenben és a jövőben.
• Alapfogalmak. Gőz-folyadék egyensúly mérése és
számítása.
• A egyszerű szakaszos desztilláció és jellemző
készüléke.
• Folyamatos egyensúlyi desztilláció és készülékei.
• A rektifikálás és készülékei.
2
3
A történelem korai desztillációi
Desztillációs készülék az arab korszakból
Desztillációs készülék az alexandriai korszakból
4
Szakaszos lepárló 1510-es ábrázolása egy német szabadállamból, Brunschweigből
www.tanszertar.hu/eken/2007_01/na_0701.htm
Desztilláció az iparban
• Etanol előállítása
– Élelmiszeripar
– Vegyipar
– Bioetanol
Etanol = etil-alkohol Molekulatömege: 46 g/mol Összegképlete: C2H6O Szerkezeti képlete: CH3CH2OH Főbb tulajdonságok: színtelen, szobahőmérsékleten folyadék halmazállapotú anyag. Vízzel korlátlanul elegyedik. Leggyakrabban fermentációval állítják elő, majd desztillációval töményítik. A vízzel minimális forráspontú azeotrópot képez. Térszerkezete:
O
H
H
H
H
H
H
7
Desztilláció az iparban
• Etanol előállítása
• Kőolajipari elválasztások
– frakcionálás
(további átalakítások után:
üzemanyagok, vegyipari
alapanyagok pl. a műanyagok
előállításához, oldószerek pl
festékipar számára, bitumen
az útépítésekhez és még sok
egyéb termék)
8
Desztilláció az iparban
• Etanol előállítása
• Kőolajipari
elválasztások
• Szennyvíztisztítás
– Elsősorban nagy
oldószertartalmú ipari
szennyvizek
– Gázmosók vizei (lsd
abszorpció)
9
A desztilláció múltja, jelene, jövője
• Két vagy több illékony komponenst tartalmazó homogén folyadékelegy legelterjedtebb elválasztási művelete.
• Az elválasztás alapja a komponensek eltérő forrpontja.
• Segédanyag hozzáadását nem igényli, ezért környezetkímélő, de az energiaigénye nagy.
• Számos elválasztási feladatnál más elválasztó műveletekkel (még) nem helyettesíthető.
10
Alapfogalmak - forráspont
• Forráspont: egy tiszta anyag (egy komponensű anyag) forráspontja adott nyomáson jellemző az anyagra. Tehát a forráspont függ: – Az anyagi minőségtől (több összetevő, azaz komponens esetén
ezek arányától)
– És a nyomástól. Nagyobb nyomáson a tiszta anyagok forráspontja magasabb.
Ennek oka, hogy egy folyadék (akár egy, tiszta komponens akár folyadékelegy) akkor forr fel, ha a gőznyomása (tenzió, folyadékelegy esetén a parciális nyomások összege) eléri a folyadék felett uralkodó nyomást.
A víz magasabb hőfokon forr a tengerszinten mint a magas hegységekben, mert a légnyomás a tengeszinten nagyobb, mint a hegyekben.
11
Alapfogalmak – tenzió
• A tenzió (gőznyomás) egy egykomponensű (tiszta) anyag felett, a gőzterében, egyensúlyi körülmények között mérhető nyomás.
• A tenzió függ az anyagi minőségtől és a hőmérséklettől. Minden anyag tenziója nő a hőmérséklettel.
• A tenzió (p0) és a hőmérséklet (T) közötti összefüggést az Antione-egyenlettel (1888) írhatjuk le (A, B, C az adott anyagra jellemző konstansok, T a hőmérséklet):
TC
BAp
0lg
12
Alapfogalmak - illékonyság
• Az az anyag az illékonyabb, amelyik forráspontja egy adott nyomáson alacsonyabb.
• Ha egy folyadékelegy forr, akkor (általános esetben) az illékonyabb komponens dúsul a gőztérben, a folyadékban pedig nagyobb hányadban lesz a kevésbé illékony komponens.
• Több komponensű elegy esetén a j komponens illékonysága számszerűsíthető a gőzfázisban (y) és a folyadékfázisban (x) mérhető moltört hányadosával
j
j
x
y
13
Alapfogalmak - Raoult és Dalton törvények
Raoult-törvény
Ideálisnak tekinthető
gyakorlati szempontból egy
elegy, ha bármely összetételnél
(a teljes vizsgált hőmérséklet-
tartományban) igaz az elegyre
a Raoult-törvény, ahol
p0j a j-edik komponens tenziója
(Pa) adott hőmérsékleten
xj a j-edik komponens
móltörtje a folyadékfázisban.
Dalton-törvény
Parciális nyomásnak hívjuk azt a nyomást, amely az adott gáz-halmazállapotú komponens részesedése az össznyomásból. Ezt fejezi ki a Dalton-törvény, ahol pj a j-edik komponens parciális nyomása (Pa), yj a j-edik komponens móltörtje a gőzfázisban P a rendszer össznyomása (Pa).
Pyp jj jjj xpp 0
14
John Dalton(1766-1844)
Fizikus és kémikus (New College, Manchester)
Atomelmélet felelevenítése, atomsúly (D atom tömegegység)
(1800 -1802)
Dalton-törvény (1803)
Egyéb munkái: térfogatos analízis
színvakság
meteorológiai megfigyelések
az angol nyelvtan elemei
15 15
Francoise-Marie Raoult (1830-1901)
Kémikus (kémia professzor, Sens lycée, PhD Párizsi
Egyetem)
Oldatok fagyáspontcsökkenése (molekulatömeg meghatározás)
(1878-1882)
Oldatok tenziócsökennése, Raoult-törvény (1887)
Egyéb munkái: Volta-cella vizsgálata
elektromos erő
16 16
Alapfogalmak – forrpont-harmatpont és
egyensúlyi diagramok
• A diagramok megszerkeszthetőek mérési
adatokból. A méréshez tartozó nyomáson
érvényesek.
17
Gőz-folyadék egyensúlyi adatok mérése
• A rendszert elektromos fűtéssel forrásba tartjuk. A nyomásállandóságot biztosítjuk.
• A gőzfázist kerintgetjük, hogy bizotsan beálljon az egyensúly (az átbuborékoló gőz keveri a folyadékot is).
• Mintát veszünk mind a gőz mind a folyadékfázisból, meghatározzuk ezek összetételét.
18
Alapfogalmak – forrpont-harmatpont és
egyensúlyi diagramok
• A diagramok megszerkeszthetőek mérési adatokból. A méréshez tartozó nyomáson érvényesek.
• Ideális elegyeknél jól számolhatóak egyszerű modellekkel. Ideális elegy:
– Igaz a Raoult-törvény.
– Folyadék fázisban is korlátlanul elegyednek.
– Általában kémiailag közeli szerkezetűek, pl. szénhidrogének.
19
1
11
1001
CT
BA
p
21 ppP
011 pxp
Az Antoine-egyenlettel kiszámítjuk az egyes
komponensek tenzióit a két tiszta komponens
forráspontja közötti, lehetőleg egyenletesen felosztott
hőmérsékleteken. 1-es az illékonyabb komponens:
és
Egyensúlyi adatok számítása ideális
elegyek esetén
2
22
1002
CT
BA
p
A Raoult-törvény igaz, kifejezhetjük a parciális nyomást,
de x ismeretlen :
022 1 pxp
Az összenyomás a parciális nyomások összege: 20
02
01
02
pp
pPx
P
px
P
py
011
Igaz a Dalton-törvény is, amivel az illékonyabb
komponens móltörtjét kifejezhetjük a gőzfázisban:
21 ppP 011 pxp 0
22 1 pxp
02
01 1 pxpxP
02
02
01 pxppxP
02
01
02 ppxpP
Azaz kiszámoltuk minden T értékhez az x és y összetételeket. 21
Forrpont-harmatpont és egyensúlyi diagram –
közel ideális elegy
Benzol-toluol elegy, atmoszférikus nyomáson
Benzol Molekulatömege: 78 g/mol Összegképlete: C6H6
Egy aromás gyűrű alkotja. Főbb tulajdonságok: színtelen, jellegzetes szagú, szobahőmérsékleten folyadék halmazállapotú anyag. Vízzel nem elegyedik. A kőolaj feldolgozása során állítják elő, majd desztillációval tisztítják. Korábban fontos oldószer volt, azonban rákkeltő hatása miatt korlátozták az alkalmazását. A benzin kis mennyiségben jelenleg is tartalmazza adalékanyagként. Térszerkezete:
Toluol=metil-benzol Molekulatömege: 92 g/mol Összegképlete: C7H8
Főbb tulajdonságok: színtelen, jellegzetes szagú, szobahőmérsékleten folyadék halmazállapotú anyag. Vízzel nem elegyedik. A kőolaj feldolgozása során állítják elő, majd desztillációval tisztítják. Sok esetben használják a benzol kiváltására. Térszerkezete:
CH3
22
Forrpont-harmatpont és egyensúlyi diagram –
közel ideális elegy
Benzol-toluol elegy, atmoszférikus nyomáson
x y
y
x
23
Nem ideális elegyek forrpont-harmatpont
görbéi és egyensúlyi diagramja
• Nem ideális egy elegy, ha az azonos és eltérő molekulák közötti kölcsönhatás jelentősen különbözik.
• Ebben az esetben a Raoult-törvény nem igaz, a számítások során módosítások szükségesek.
• A T(x), T(y), y(x) görbék aszimmetrikussá válnak.
• Minimális vagy maximális forráspontú azeotrópok képződhetnek (az azeotróp összetételt adott nyomáson desztillációval átlépni nem lehet)
• További információ: ajánlott irodalom.
24
Egyszerű szakaszos desztilláció Kondezátor: a csövekben hűtővíz
áramlik, a csövek hideg külső falán lekondenzál a pára.
Desztillátum gyűjtő tartály. A desztillátum
a lekondenzált és összegyűjtött pára.
Üst. A duplafalú tartályt általában gőzzel fűtik úgy,
hogy a belsejében levő folyadék folyamatosan
forrásban legyen.
Kondenzedény. Csak a lekondenzált (folyadék halmazállapotú) fűtőgőz-
kondenzátumot engedi ki a túlnyomású térből, a még használhatő fűtőgőzt nem.
A vízszintes vonalon
hegyén álló háromszög
folyadékszintet jelől
28
T
x, y
x0 y1 x1
t1 időpillanat
Egyszerű szakaszos desztilláció
y2 x2
t2 időpillanat
y3 x3
t3 időpillanat
T0
T1 T2
T3
x (t)
Átlagos xD
Hűtővíz
BE
Hűtővíz
KI
Fűtőgőz
BE
Fűtőgőz-
kondenzátum
KI
y(t)
A folyadékfázis összetétele a
desztilláció során folyamatosan
változik, de minden
időpillanatban egyensúlyi
összetételű a felette levő
gőzfázissal. Az üst hőmérséklete
folyamatosan emelkedik, ahogy
a visszamaradó anyag
forráspontja nő.
A desztillátum és a maradék is
folymatosan szegényedik az
illékonyabb komponensben,
ahogy a desztillátum
mennyisége nő.
29
Egyszerű szakaszos desztilláció A pára mennyisége V, ami megegyezik
desztillátum mennyiségvel (D). Mindenkori összetétele y (illékonyabb komp. moltört) amely egyensúlyban van az ugyanabban a pillanatban az
üstben mérhető x moltörttel.
A desztillátum anyagmennyisge D (mol) összetételét az illékonyabb komponens
moltörtjével adjuk meg (xD)
Kiindulási anyagmennyiség, L0.
Illkonyebb komp. moltörtje x0
A maradék mennyisége t1 időpillanatban, L1
Illékonyabb komp. Moltörtje a maradékben x1 30
Egyszerű szakaszos desztilláció – matematikai
leírás
Az egyszerű egyszerű szakaszos desztilláció matematikai leírásakor
az alábbi egyszerűsítő feltételezésekkel élünk:
• az üstben forrásban levő folyadék és a belőle keletkező pára
minden időpillanatban egyensúlyban van,
• a pára nem visz magával folyadékcseppeket (a cseppelragadás
elkerülhető, ha nem használnak túlzottan intenzív fűtést – fontos a
fűtési sebesség szabályozása),
• a pára részlegesen sem kondenzál le a kondenzátorig vezető úton
(üst páratere és csővezetékek). Az üst és a páravezeték tökéletesen
szigetelt (nincs hőveszteség).
A matematikai leírása differenciálegyenleteket igényel az állandósult
állapot hiánya miatt, mint hogy minden egyszerű szakaszos művelet
időben változó körülményeket jelent. 31
Egyszerű szakaszos desztilláció
– matematikai leírás
A Rayleigh-egyenlet és levezetése
Írjuk fel az anyag- és komponensmérleget egy elemi
időegységre (nagyon rövid időre), amit dt-vel jelölünk!
A dt idő alatt dV mennyiségű, y összetételű pára
keletkezett (ugyanennyi desztillátum, hiszen a
lekondenzáltatott pára a desztillátum) és az üstben levő
folyadék mennyisége is dL-nyivel csökkent. Az
anyagmérleg tehát:
DVL ddd
32
Egyszerű szakaszos desztilláció
– matematikai leírás
A Rayleigh-egyenlet és levezetése 2
yVxxLLxL d)d)(d(
yVxL
xLxLxLxL
ddd
dd
yVxLxL ddd0
yLxLxL ddd0
)(dd xyLxL
L
L
xy
x dd
0
1
0
1
L
L
x
x L
L
xy
x dd
1
00
1L
L
xy
xx
x
lnd
a differenciális komponens-mérlegegyenlet és kifejtése:
hanyagoljuk el a dLdx tagot és rendezzük 0-ra:
behelyettesítve az anyagmérlegből, hogy dL=dV
szeparáljuk a változókat 33
Egyszerű szakaszos desztilláció
– matematikai leírás
A Rayleigh-egyenlet és alkalmazása
1
00
1L
L
xy
xx
x
lnd
ahol
y és x az egymással egyensúlyban levő
gőz- illetve folyadékfázisbeli moltörtek,
amelyeket az egyensúlyi diagramról lehet
leolvasni;
0 a kezdeti (t0 időpillanat) 1 a végső (t1)
időpillanatra vonatkozó érték;
L a folyadék anyagmennyisége (mol) az
üstben.
Ha tehát ismert a kiindulási anyag-
mennyiség (L0) és összetétel (x0),
valamint az előírt tisztaság (x1) a
Rayleigh-egyenlettel a maradék
mennyisége (L1) számolható. 34
Egyszerű szakaszos desztilláció
– matematikai leírás
A desztillátummennyiség és -összetétel számítása
Ismert már L0, L1, x0, x1
A teljes anyag- és komponensmérlegből a
keresett mennyiségek kifejezhetőek:
1010 LLDDLL
D
xLxLxxDxLxL DD
11001100
elumösszetétdesztillát átlagos az ahol Dx
35
Az egyszerű szakaszos desztilláció
alkalmazása
• Egyszerű szakaszos desztillációval elvileg bármekkora
maradéktisztaság elérhető, de a gyakorlatban csak kisebb mértékű
tisztításra használják. Az ok gazdasági: a nagy tisztasághoz a
folyadék jelentős részét el kell párologtatni, aminek jelentős az
energiaigénye.
• Egyszerű szakaszos desztillációnál a desztillátum összetétele
mindig kisebb, mint a kiindulási eleggyel egyensúlyban levő páráé
és nagyobb, mint a kiindulási elegyé. Az illékonyabb
komponensből viszonylag nagy tisztaságot csak több egymás utáni
desztillációval lehet elérni (lsd. egyensúlyi diagram és
pálinkafőzés).
• Az egyszerű szakaszos deszitllációt előszeretettel alkalmazzák
kisebb léptékben, minél nagyobb mennyiségeket kell desztillálni
annál inkább a folyamatos műveletek válnak gazdaságossá. 36
Folyamatos egyensúlyi desztilláció, flash
desztilláció
• Egy egyensúlyi fokozatnak megfelelő, állandósult állapotban üzemeltetett desztillációs művelet,
• A betáplálást részlegesen elpárologtatják.
• A keletkező folyadék (a maradék) és a pára (desztillátum) egymással egyensúlyban vannak, azaz az x és y összetételek az egyensúlyi görbe egyetlen pontjának koordinátái.
• A forrási hőmérséklet a desztilláció alatt állandó.
• Készülék szempontból három különböző megoldása van.
37
Folyamatos egyensúlyi desztilláció állandó
nyomáson A pára mólárama V. Összetétele y (illékonyabb
komp. moltört) amely időben állandó és
egyensúlyban van az üstben mérhető (és az
üstből távozó) x moltörttel.
A betáplálás mólárama F. Összetétele xF
(illékonyabb komp. moltört). Az állandósult állapot feltétele, hogy a
betáplálás is időben állandó legyen.
Fűtőgőz-kondenzátum elvétel
kondenzedényen keresztül
Fűtőgőz betáplálás. A duplafalú tartály belső falán lekondenzál a fűtőgőz és így
melegíti a belső falat. A belső fal belső oldala hőt ad át a
folyadéknak, ami így folyamatosan forr.
A maradékelvétel mólárama L. Összetétele x
(illékonyabb komp. moltört) .
38
Flash desztilláció nyomáscsökkentéssel
Pára
Folyadék halmazállapotú
betáplálás. Cseppleválasztó
ciklon. A nyomáscsökkentés
hatására a forró folyadék egy része
elpárolog. A párából az el nem párolgott folyadékcseppeket
kiülepítjük, ez lesz a maradék. Előmelegítő. Nyomás alatt olyan magas
hőmérsékletre melegítjük a folyadékot, hogy még ne forrjon fel, de a
nyomáscsökkentés után már a forrpontja felett legyen.
Maradék.
Nyomáscsökkentő szelep
39
Folyamatos egyensúlyi desztilláció részleges
kondenzáltatással Pára
Gőz halmazállapotú
Betáplálás.
Cseppleválasztó ciklon. A a hűtés hatására kivált
folyadékcseppeket párából kiülepítjük, ez lesz a maradék.
Részleges kondenzátor. A gőz halmazállapotú betáplálást annyira lehűtjük, hogy a kívánt összetételű
folyadék kondenzáljon le. Maradék. 40
A folyamatos egyensúlyi desztilláció
matematikai leírása
Anyagmérleg VLF
Komponensmérleg yVxLxF F
Fejezzük ki az y-t az x függvényében, majd ábrázoljuk az egyenletet az egyensúlyi diagramon!
Az y és x értékek egyensúlyi értékek, ezért a munkapontban az egyensúlyi görbe egy pontja jelképezi. A munkapontot a kifejezett egyenes és az egyensúly görbe metszéspontja adja meg.
xV
Lx
V
Fx
V
VFx
V
F
V
xLxFy FF
F
41
A folyamatos egyensúlyi desztilláció
matematikai leírása
FxV
Fx
V
Ly
Az egyenes meredeksége a maradék és a pára mólarányának
aránya. Ezeket mi állítjuk be a fűtés (esetleg hűtés) mértékével.
FFF
F
xxV
Fx
V
Ly
xx
ha
Tehát az egyenest egy pontja és a meredeksége ismeretében ábrázolhatjuk. 42
A folyamatos egyensúlyi desztilláció
matematikai leírása
Folyamatos egyensúlyi
desztillációval nem lehet
tetszőleges tisztaságú párát
és maradékot előállítani.
43
Folyamatos egyensúlyi desztilláció
összefoglalás
• Ritkán használják önálló műveletként, mert csak
korlátozott tisztaság érhető el. Egy elméleti
fokozatnak megfelelő elválasztást lehet elérni.
• Nem ideális elegyek esetében (pl. hetero-
azeotrópok) speciális esetben közvetlenül is
alkalmazható.
• Egyéb folyamatos desztillációs elválasztásoknál,
pl. rektifikálás, a visszaforraló üst folyamatos
egyensúlyi desztillációnak tekinthető.
44
Folyamatos rektifikálás
• Folyamatos, állandósult állapotban végzett elválasztó művelet. Mivel folyamatos művelet, jellemzően nagy betáplálási áramok esetén gazdaságos.
• Elterjedten alkalmazzák az iparban (szénhidrogénipar; oldószerek tisztítása, visszanyerése; ipari szennyvizek tisztítása).
• Folyadék-gőz egyensúlyon alapul. Az órán csak két komponensű rendszerekről esik szó, de a valóságban sok komponens (összetevő) lehet. Kétkomponensű elegynél az illékonyabb komponens a gőzfázisban (majd a desztillátumban), a kevésbé illékony komponens a folyadékfázisban (majd a maradékban) dúsul.
• A folyamatos rektifikálást rektifikáló oszlopban végzik.
45
Folyamatos rektifikálás = többszöri részleges
elforralás illetve kondenzáltatás
Alsó oszloprész Felső oszloprész
46
Rektifikáló oszlop
• Az oszlop egy hengeres kialakítású,
leggyakrabban fémből vagy kisebb léptékben üvegből készült cső. Ezen belül helyezkednek el a tányérok vagy töltetek, amelyek a felfelé haladó pára és a lefelé csorgó folyadék intenzív érintkeztetését (keveredését) biztosítják.
• A rektifikáló oszlopba érkezik a betáplálás (F) és két anyagáramot veszünk el, a desztillátumot (D) és a maradékot (W).
• Ahhoz, hogy a felső oszloprészben is legyen lefelé csorgó folyadék, a kondenzátorban lekondenzáltatott pára (immár folyadék) egy részét visszavezetjük az oszlop tetejére (ez a reflux). Az üstbe bevezetett folyadék egy részét elforraljuk, és a keletkező párát az oszlop aljára vezetjük, így biztosítjuk a felfelé szálló párát az oszlopban.
47
Teljes anyagmérleg
A betáplálás (F), desztillátum elvétel (D)
és a maradék elvétel (W) mind
móláramban (pl. mol/s vagy kmol/h)
helyettestíthetőek be.
WDF
Rektifikálás - mérlegegyenletek
Komponensmérleg
Az összetételek moltörtben
helyettesítendőek be.
WDF xWxDxF
48
A legfontosabb, egyszerűen elvégezhető
közelítő számítások
• Minimális elméleti tányérszám meghatározása: A minimális
elméleti tányérszám az előírt elválasztásra jellemző. Minél
nagyobb ez a számérték, annál nehezebb a desztillációs
feladat. A számításhoz (szerkesztéshez) a desztilláció
nyomásán érvényes egyensúlyi diagram, valamint az előírt
desztillátum- és maradékösszetétel szükséges.
49
A legfontosabb, egyszerűen elvégezhető
közelítő számítások
• Minimális elméleti tányérszám meghatározása: A minimális
elméleti tányérszám az előírt elválasztásra jellemző. Minél
nagyobb ez a számérték, annál nehezebb a desztillációs
feladat. A számításhoz (szerkesztéshez) a desztilláció
nyomásán érvényes egyensúlyi diagram, valamint az előírt
desztillátum- és maradékösszetétel szükséges.
• Minimális refluxarány meghatározása
50
Refluxarány:
R=L/D
A reflux (L), desztillátum elvétel (D) és
mind móláramban (pl. mol/s vagy
kmol/h) helyettestíthetőek be, így a
refluxarány dimenzió nélküli.
Rektifikálás – refluxarány,
munkavonalak
Az állandó moláris elpárolgás
tétele alapján a pára illetve a
folyadék mólárama
oszloprészenként állandó.
51
Rektifikálás – állandó móláris túlfolyás tétele
Hívják még állandó moláris párolgás tételének vagy Lewis feltételnek is. Feltételezések:
• Az oszlop adiabatikusan működik (az oszlop jól van szigetelve, ezért nincs hőveszteség).
• A komponensek elegyítésénél felszabaduló hő (elegyítési hő) elhanyagolható.
• Az oszlopban végbemenő felmelegedési és lehűlési entalpiaváltozások elhanyagolhatók a párolgáshőhöz viszonyítva.
• A komponensek moláris párolgáshője egyenlő.
Következmény:
• Folyadék és páraáramok oszloprészenként állandóak
52
Az oszlopban a tányérokat
egyezményesen felülről lefelé
számozzuk. Az adott tányért elhagyó
(egymással egyensúlyban levő) pára és
folyadékáramok indexe a tányér száma.
Rektifikálás – refluxarány,
munkavonalak
Az állandó moláris túlfolyás tétele
alapján:
VVVV n ...21
LLLLL n ...210
53
A komponensmérleg a felső
oszloprészre:
Rektifikálás – felső
munkavonal
Dnn xDxLyV 1
Anyagmérleg a felső oszloprészre (ugyanez az egyenlet írható fel a kondenzátorra is):
DLV
Az yn+1-et kifejezve a komponens-
mérlegegyenletből, és behelyettesítve
az anyagmérlegegyenletet:
DnDnn xLD
Dx
DL
Lx
V
Dx
V
Ly
1 54
Rektifikálás – felső
munkavonal
DnDnn xLD
Dx
DL
Lx
V
Dx
V
Ly
1
Helyettesítsük be a refluxarányt
(R=L/D):
111
R
xx
R
Ry D
nn
Az indexek elhagyásával általánosítva megkapjuk a felső munkavonal egyeletet, ami a tányérok közötti térben az egymás mellett elhaladó áramok összetétele között teremt kapcsolatot:
11
R
xx
R
Ry D
55
Rektifikálás – alsó
munkavonal
Hasonló módon felírhatjuk az anyag- és komponens-mérlegegyenleteket az alsó oszloprészre is.
A V’ és L’ különbözteti meg a móláramokat az alsó oszloprészben a felső oszloprész V és L mólaramaitól:
WVL ''
Wmm xWyVxL 1'
56
Rektifikálás – alsó
munkavonal
WVL ''
Wmm xWyVxL 1'
Az y-t kifejezve megkapjuk az
alsó oszloprész munkavonal-
egyenletét is:
Wmm xV
Wx
V
Ly
''
'1
WxV
Wx
V
Ly
''
'
57
A refluxarány ismeretében (mi szabályozzuk) a felső munkavonalat meg lehet szerkeszteni az egyensúlyi diagramon.
Az alsó munkavonal megszerkesztéséhez azonban ismernünk kell a betáplálás hőállapotát. A betáplálás hőállapota szabja meg, hogy a felső oszloprészbeli (ismert) pára és folyadék móláramoktól mennyire tér el az alsó oszloprészbeli áramoktól.
Rektifikálás – refluxarány,
munkavonalak
WxV
Wx
V
Ly
''
'
58
Rektifikálás – a betáplálás
hőállapota
, ahol HF az xF összetételű telített gőz
fajlagos entalpiája (J/mol), hF a betáplálás
fajlagos entalpiája (J/mol), pedig az xF
összetételű elegy párolgáshője (J/mol).
F
FF hHq
A betáplálás halmazállapota és jellemzője
hF q
forráspont alatti folyadék, ún. hideg folyadék
hF < HF 1 < q
forrponti folyadék hF = HF -λF q = 1
gőz és folyadék keverék, q értéke megegyezik a folyadékhányaddal
hF = HF–q· r 0 < q < 1
telített gőz hF = HF q = 0
túlhevített gőz hF > HF q < 0 59
Rektifikálás – a betáplálás
hatása a móláramokra
F
FF hHq
LVFLV
Írjuk fel az anyagmérleget a
betáplálási tányérra:
A gőz–folyadék vegyes betáplálás esetén a
folyadékhányad (q) a lecsurgó folyadékhoz, a
gőzhányad (1-q) a felszálló gőzhöz adódik.
FqLL
FqVV )1(
60
Rektifikálás – a betáplálás hőállapota
Fxq
xq
qy
1
1
1
A q ismeretében kifejezhető és megszerkeszthető a q-vonal.
Vonjuk ki a felső munkavonal egyenletét az alsó
munkavonal egyenletéből:
DW DxWxxLLyVV )()(
WW xWxLyVxV
Wx
V
Ly ''
''
'
DDn xDxLyVxV
Dx
V
Ly
FxFxFqyFq )(1
Fxxqyq )(1
FqLL
FqVV )1(
61
A legfontosabb, egyszerűen elvégezhető
közelítő számítások
• Minimális refluxarány meghatározása: Ahhoz, hogy egy
előírt desztillátum összetételt (xD) elő lehessen állítani
adott betáplálás összetétel (xF) és hőállapot (q) mellett,
a refluxaránynak el kell érnie egy minimális értéket.
62
A legfontosabb, egyszerűen elvégezhető
közelítő számítások
• Minimális refluxarány meghatározása: Ahhoz, hogy egy előírt desztillátum
összetételt (xD) elő lehessen állítani adott betáplálás összetétel (xF) és hőállapot
(q) mellett, a refluxaránynak el kell érnie egy minimális értéket.
• Elméleti tányérszám meghatározása: A felső és az alsó
munkavonal megszerkesztése után, McCabe – Thiele
lépcsőszerkesztéssel.
63
Adott:
R, q, xw, xD, xF
Nelm=?
y 1
0,8
0,6
0,4
0,2
0,2
x
0
0 0,4 0,6 0,8 1
xF
q vonal
xD
yD=xD
xw
yw=xw
McCabe-Thiele-féle lépcsőszerkesztés
1R
Rtg
1q
qtg
1
3
4
2
5
6
7
Tehát: Nelm=7
1R
xD
Felső munkavonal
Alsó munkavonal
64
REKTIFIKÁLÁS Hűtővíz BE Hűtővíz KI
Fűtőgőz BE
Fűtőgőz kondenzátum KI
Betáplálás
Fenéktermék
Desztillátum
y 1
0,8
0,6
0,4
0,2
0,2
x
0
0 0,4 0,6 0,8 1
xD
yD=xD
xw
yw=xw
xF
xw
xD
1
2
3
4
5
6
7
xD y1
y2 x1
y3 x2
y4 x3
y5 x4
y6 x5
y7 x6
y8 x7
65
A legfontosabb, egyszerűen elvégezhető
közelítő számítások
• Minimális refluxarány meghatározása: Ahhoz, hogy egy előírt desztillátum
összetételt (xD) elő lehessen állítani adott betáplálás összetétel (xF) és hőállapot
(q) mellett, a refluxaránynak el kell érnie egy minimális értéket.
• Elméleti tányérszám meghatározása: A felső és az alsó munkavonal
megszerkesztése után, McCabe – Thiele lépcsőszerkesztéssel.
• Minimális elméleti tányérszám meghatározása: A
minimális elméleti tányérszám az előírt elválasztásra
jellemző. Minél nagyobb ez a számérték, annál
nehezebb a desztillációs feladat. A számításhoz
(szerkesztéshez) a desztilláció nyomásán érvényes
egyensúlyi diagram, valamint az előírt desztillátum- és
maradékösszetétel szükséges. 66
A legfontosabb, egyszerűen elvégezhető
közelítő számítások
• Minimális refluxarány meghatározása: Ahhoz, hogy egy előírt desztillátum
összetételt (xD) elő lehessen állítani adott betáplálás összetétel (xF) és hőállapot
(q) mellett, a refluxaránynak el kell érnie egy minimális értéket.
• Elméleti tányérszám meghatározása: A felső és az alsó munkavonal
megszerkesztése után, McCabe – Thiele lépcsőszerkesztéssel.
• Minimális elméleti tányérszám meghatározása: A minimális elméleti
tányérszám az előírt elválasztásra jellemző. Minél nagyobb ez a számérték,
annál nehezebb a desztillációs feladat. A számításhoz (szerkesztéshez) a
desztilláció nyomásán érvényes egyensúlyi diagram, valamint az előírt
desztillátum- és maradékösszetétel szükséges.
• Oszlopátmérő számítása: terhelési tényező segítségével.
67
Rektifikálás - terhelési tényező
• A terhelési tényező (Ffaktor) meghatározza a gőz-folyadék érintkeztetés hatásosságát.
• Függ a pára üres oszlopra vonatkoztatott áramlási sebességétől (v) és a pára sűrűségétől (ρG).
• A pára sűrűsége függ: átlagos moltömeg (összetétel!), hőmérséklet (mindig forrponti az oszlopban, azaz a nyomás és az összetétel határozza meg), nyomás. A nyomás az oszlop tetejétől az alja felé nő.
GvF faktor
21
3Pa
m
kg
s
m
TR
MPG
valós0 NPPP
68
Rektifikálás – oszlopátmérő számítása
• Kiválasztunk egy olyan
terhelési tényező értéket
(tartományt) amelynél az
oszlop működése az
optimális tartományba esik.
70
Rektifikálás – oszlopátmérő számítása
• Kiválasztunk egy olyan terhelési tényező értéket (tartományt) amelynél az oszlop működése az optimális tartományba esik.
• A rögzített terhelési tényező mellett az oszlop tetején és az alján is kiszámítjuk az oszlopátmérőt (D0).
• Olyan átmérőt választunk amely mellett az oszlop összes tányérja megfelelő tartományban múködik.
G
Fv
faktor
P
TRVV a
0P
TRVV t
Térfogatáram az oszlop
tetején és alján
22
4
4
oo D
V
D
V
A
Vv
v
VDo
4
72
A legfontosabb, egyszerűen elvégezhető
közelítő számítások
• Minimális elméleti tányérszám meghatározása: A minimális elméleti tányérszám
az előírt elválasztásra jellemző.
• Minimális refluxarány meghatározása: Ahhoz, hogy egy előírt desztillátum
összetételt (xD) elő lehessen állítani adott betáplálás összetétel (xF) és hőállapot
(q) mellett, a refluxaránynak el kell érnie egy minimális értéket.
• Elméleti tányérszám meghatározása: A felső és az alsó munkavonal
megszerkesztése után, McCabe – Thiele lépcsőszerkesztéssel.
• Oszlopmagasság számítása: tányéros oszlop esetében az oszlop aktív magasságát
a valódi tányrészám és a tányértávolság segítségével számolhatjuk.
• Oszlopátmérő számítása: terhelési tényező segítségével.
• Oszlopmagasság számítása: tányéros oszlop esetében az
oszlop aktív magasságát a valódi tányérszám és a
tányértávolság segítségével számolhatjuk
73
Rektifikálás – oszlopmagasság számítása
• Meghatározzuk szerkesztéssel az elméleti tányérszámot (Nelm).
• A tányérhatásfok (ηtányér) felhasználásával kiszámoljuk a valódi tányérok számát. Mindig felfelé kerekítünk. A tányérhatásfok függ:
– Tányér típusa (szerkezete)
– A tányér terhelési tényezője (Ffaktor). tányér
elmvalós
NN
74
Rektifikálás – oszlopmagasság számítása
• Meghatározzuk szerkesztéssel az elméleti tányérszámot (Nelm).
• A tányérhatásfok (ηtányér) felhasználásával kiszámoljuk a valódi tányérok számát. Mindig felfelé kerekítünk. A tányérhatásfok függ:
– Tányér típusa (szerkezete)
– A tányér terhelési tényezője (Fterhelési).
• A tányérok számát megszorozzuk a tányértávolsággal.
tányér
elmvalós
NN
HNH valós
76
77
Főbb témakörök - tányéros oszlop
• Elméleti és valós tányérok
• Az üzemeltetés
• Nmin, Rmin meghatározása, a McCabe – Thiele
szerkesztés, hatásfok
• Gőzterhelés, F-faktor
• A tányéros oszlopok szerkezete, a tányérok
működése
Rektifikálás – töltött oszlopok
• Rendezetlen illetve rendezett töltetek lehetségesek.
• A rendezetlen töltet olcsóbb, de kisebb hatásfokú (azonos töltetmagassághoz lényegesen kisebb elválasztóképesség tartozik).
• A modern, rendezett töltetek laboratóriumi mérettől nagyüzemi méretig elérhetőek.
82
Oszlopmagasság meghatározása 1.
HETPNH
Sulzer Mellapak töltet
HETP= Height Equivalent of Theoretical Plate
83
Oszlopmagasság meghatározása 2.
• A McCabe-Thiele tányérszám számítás helyett tötlött
oszlopok esetén gyakran használják az átviteli
egységek fogalmát.
• Az átviteli egységek száma az NTU (Number of
Transfer Units)
• Az átviteli egységek magassága a HTU (Height of
Transfer Unit)
• Az alsó és felső oszloprészre külön-külön
meghatározzák. A teljes oszlopmagasság az alsó és a
felső oszloprészbe levő aktív töltetmagasság összege.
ffaa NTUHTUNTUHTU H84
Elméleti háttér
HyyAaKyV y d)(d
V
yK
a
A
mxy
páraáram a felső oszloprészben (mol/s),
anyagátbocsátási tényező (mol/(m2∙s)),
nedvesítési ténező (-),
a töltet fajlagos felülete (m2/m3),
oszlopkeresztmetszet (m2),
az a hipotetikus koncentráció, amely a
folyadékfázissal egyensúlyban lenne (-).
85
Elméleti háttér - kétfilm elmélet
xyy
m
K
11
AiAi mxy )( AiAxA xxJ
)( AAiyA yyJ
AiA
x
A yymJ
AAi
y
A yyJ
)( AAyA yyKJ
)()( AiAx
AiAx yymm
mxx
AAiAiA
yx
A yyyym
J
1
86
Oszlopmagasság számítása
HyyAaKyV y d)(d
D
F
f y
yy
H
yy
y
AaK
VHH
dd
0
yy
y
AaK
VH
y
dd
AaK
VHTU
y
f
D
F
y
y
fyy
yNTU
d
AaK
VHTU
y
a
'
F
W
y
y
ayy
yNTU
d
87
HTU számítása adott: F, R, q, xF, xD, xW
DWF
DwF xDxWxF
DwDwF xWFxWxDxWxF
DW
DF
xx
xxFW
WFD
DRV 1
AaK
VHTU
y
f
FqVV 1'
AaK
VHTU
y
a
'
88
fényképek: Sulzer kolonnafelújítás
Összeszerelés 100 tonnás elem (fal + töltet) behelyezése régi kolonna felújítása során.
folyadékelosztó összeszerelése
100
Gazdasági optimum
Csökken a szükséges
oszlopmagasság (tányérszám)
Jelentősen nő az oszlop átmérője
101
103
Összefoglalás
• A rektifikálás a egyik legnagyobb léptékben alkalmazott művelet (kőolajfeldolgozás, gyógyszeripar, stb.).
• Tervezése, méretnövelése az anyagátadó műveletek közül a legjobban számítható, modellezhető.
• Az oszlopok kialakítása rendkívül változatos, sokszínű. A tervezéshez a durva becsléstől a pontos optimalizálásig rendelkezésre áll az eszköztár és a szakcégek.
Ajánlott irodalom
• Vegyipari műveletek 2. elektronikus tananyag (www.tankonyvtar.hu)
– 1.3.1.1-1.3.1.2 fejezetek – gőz- folyadék egyensúlyok
– 1.3.2 fejezet – desztilláció, rektifikálás alapjai
– 1.3.3 fejezet – a rektifikálás készülékei
• Vegyipari és biomérnöki számolási gyakorlat segédlete és a gyarkolat vonatkozó anyaga (http://vebi.kkft.bme.hu)
104
Recommended