Osztott terű rektifikáló kolonna modellezése Modeling of divided wall column
Szabó László, Németh Sándor, Szeifert Ferenc Pannon Egyetem, Folyamatmérnöki Intézeti Tanszék 8200 Veszprém, Egyetem utca 10. Summary The divided wall column system is a promising energy-saving alternative for separating multicomponent mixtures. The innovation of this equipment is a wall which divides the space of the tower so the feed and the sidestream-product zones are separated. In this study, the effects of the main parameters of the divided wall column, like split ratio, height of the wall, vertical position of wall, and the heat transfer of the wall were analyzed. Separation of a ternary-mixture (benzene, toluene, o-xylene) was investigated. The 99% purity of the products was defined. Our destination was to determine optimal parameter combination of a divided wall column, and to compare the optimal column with a column with sidestream-product. The structure of the divided wall column was introduced in Aspen Plus simulator using the Radfrac unit of the software. The column was divided in four parts: the top partition, above the divider wall, with condenser and reflux drum, the bottom partition, under the wall, with reboiler and the feed and the product partition separated by the wall. Heat transfer between the feed and product zone was also calculated. A simulation case study is introduced in this paper in order to determine the optimal energy consumption of the column. The divided wall column and a sidestream-product fractionator are also compared. The results of the simulation show that the divided wall column has lower energy consumption than the sidestream-product distillation tower.
Bevezetés A rektifikálás az egyik legelterjedtebb elválasztó művelet a vegyiparban, különösen a petrolkémia területén [1]. Nagyszámú alkalmazása és nagy energia felhasználása miatt intenzíven folyik a desztilláló készülékek konstrukciójának, üzemeltetési stratégiájának fejlesztése. A gyakorlatban, legtöbb esetben sokkomponensű elegyek szétválasztása a feladat. A szétválasztási feladat megoldható kéttermékes, vagy többtermékes (oldalelvételes) kolonnák felhasználásával. Cél az energetikailag legkedvezőbb struktúra meghatározása. Energetikailag kedvezőbb megoldást kínálnak a szétválasztási feladat megoldására az ún. osztott terű kolonnák (1. ábra) [2] A berendezés lényege, hogy az oldalelvételes kolonna oszlopterét megosztják egy függőleges válaszfallal, ezáltal elválasztva egymástól betáplálási és az elvételi zónát. Így megakadályozható, hogy a betáplálási áram közvetlenül keveredjen az elvétellel. Ez a konstrukció várhatóan nagyobb hatásfokkal működik, vagyis jobb lesz az energia fajlagos kihasználása. Ezzel a módszerrel, bizonyos beruházási költség árán a már meglévő műveleti egységek energia kihasználása is növelhető. Ebben a cikkben bemutatjuk, hogy az osztott terű kolonna, leképezését flowsheeting szimulátorban. Szimulációs vizsgálatokat végezve elemezzük a kolonna működését különböző konstrukciók esetében. A vizsgálat során bemutatjuk, egy adott szétválasztási feladat megoldása során az új konstrukció energia igénye hogyan viszonyul a hagyományos oldalelvételes kolonnák energia igényéhez. A vizsgálatok elvégzéséhez az Aspen Plus szimulátort használtuk [5].
1. ábra: Az osztott terű kolonna elvi sémája A szétválasztási feladat Mintarendszerként a benzol, toluol, o-xilol elegyet választottuk, mely vegyületek normálforráspontját az 1. táblázat tartalmazza. A feldolgozandó elegy tömegárama 90 kg/h, a komponensek tömegtörtjei: benzol 0,333; toluol 0,333; xilol 0,333. Az 1. táblázatból látható, hogy a komponensek forráspontjai jelentősen eltérnek egymástól, így atmoszférikus körülmények között teljesen szétválaszthatók, mivel nem képeznek azeotróp elegyet. A rektifikálás során cél a 99 m/m% tisztaság elérése mindegyik terméknél. 1. táblázat : Az elegyet alkotó komponensek normál forráspontjai Komponens Forráspont (°C) benzol 80,1 toluol 110,7 o - xilol 144,3
Az osztott terű kolonna négy különböző részre dekomponálható, az osztófal feletti, az osztófal alatti és a fal két oldalán lévő oszloprészre (2. ábra) [3]. Ezeket a részeket külön blokkokkal képeztük le. Így a felső rész egy kondenzátort és egy reflux tartályt tartalmazó oszlop, az alsó rész a kiforralóval rendelkező oszlop. A két másik egység az osztófal két oldalát képezi le, ide vezetjük be a betáplálási áramot (betáplálási oldal) és innen vezetjük el az oldalterméket (elvételi oldal). Az osztott térben lévő falon történő hőátadást az egyes tányérok között definiáltuk, ahol a hajtóerő a betáplálási és az elvételi oldalon lévő tányérok hőmérséklet különbsége volt. A hőátadási tényező és hőátadási felület szorzatát modell paraméterként definiáltuk, amelyet a konkrét fizikai rendszerre kell meghatározni. A kolonna méreteit úgy határoztuk meg, hogy a szétválasztási feladatot ellátó osztófal nélküli oldalelvételes oszlopéval egyezzen meg. A betáplálási és az elvételi tányér
egymással szemben helyezkedik el az oszlop közepén. Az osztott részt leképező két oszlop keresztmetszetét összeadva az eredeti oszlop keresztmetszetét kapjuk meg. A fal függőleges helyzete Ezt a vizsgálatot egy hét tányér és egy tizenegy tányér magasságú fallal végeztük el. A falak függőleges helyzetét változtattuk miközben a kiforraló hőigényét (Qreb) figyeltük (3. ábra, 4. ábra). A modell szempontjából a fal helyzetét úgy változtattuk, hogy a fal két oldalán lévő rész tányérszámát állandónak vettük, lefele
130
120
Q reb.(kW )
Az osztott terű kolonna leképezése flowsheeting szimulátorban
110
100
90
80 -3
-2
-1
0
1
2
3
Eltérés a középhelyzettől
3. ábra: Hét tányér magasságú fal vizsgálata
80
Qreb.(kW)
70
60
50
40 -4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
Eltérés a középhelyzettől
2. ábra: Tizenegy tányér magasságú fal vizsgálata
4. ábra: Rendszer struktúrája
mozgatás esetén az alsó rész tányérszámát ugyan annyival csökkentettük, mint amennyivel növeltük a felsőrész tányérszámát. Az elvételi és a
betáplálási rész keresztmetszete a vizsgálat alatt megegyezett. Az eredményekből látszik, hogy akkor a legkisebb a kolonna energiaigénye, ha a falat az oszlop közepén helyezzük el. Az aszimmetriával az energiaigény nő. Ez magyarázható azzal, hogy a szétválasztandó komponensek tömegárama megegyezik. Eltérő tömegáramú komponensek esetén az eredmény változhat. A fal magasság hatása Ezen vizsgálatok során arra kerestük a választ, hogy a fal hossza hogyan hat a kolonna energia igényére. Az előző elemzés eredménye alapján a középen helyeztük el a falat és a méretét változtattuk míg a kiforraló energia igényének változását figyeltük (5. ábra). Az előző vizsgálathoz hasonlóan elvételi és a betáplálási rész keresztmetszete megegyezett.
után növelve a fal magasságát ismét nő az energia igény. Ez magyarázható azzal, hogy a növekvő osztott rész miatt a felső és az alsó rész mérete lecsökkent, így ott a komponensek szétválasztásához nagyobb reflux és kiforralási arány szükséges. A keresztmetszetarány hatása Megvizsgáltuk, hogy a fal sugárirányú elmozdításával hogyan változik a kolonna energia igénye. A fal ebben az esetben tizenegy tányérmagasságú és függőlegesen középhelyzetű. Az osztott térbe belépő áramok (a felső részből lefolyó folyadék és az alsó részből felszálló gőz) arányai úgy állnak be, hogy azok megegyezzenek az osztott rész keresztmetszeteinek arányával. Az eredmények a 6. ábrán láthatók.
70
60
Qreb.(kW)
90
Qreb.(kW )
80
50
40
70
30
60
20
35
50
65
80
Keresztmetszetarány (%) 50
5. ábra: Keresztmetszetarány hatása
40 7
9
11
13
15
Fal magassága
6. ábra: Fal magasság vizsgálata Az eredményekből látszik, hogy a tizenegy tányér magasságú fallal ellátott kolonna a legjobb energetikailag (ha csak páratlan számú megoldásokat tekintjük), a hetedik tányértól a minimum pontig meredeken csökken az energia igény, a minimumtól enyhén emelkedik Minél kisebb a fal magassága az osztott falú kolonna annál jobban közelít az oldalelvételes kolonnához. Növelve a fal magasságát csökkenő energiaigényt kapunk. Az energiaigénynek van egy minimuma, esetünkben 11 tányérmagasságnál, ami
Látható, hogy ha a betáplálási oldal keresztmetszete 65%-os akkor kell a legkevesebb energiát a kolonnába bevezetni. A keresztmetszet arány meghatározza, hogy a felső és az alsó részből kilépő gőz és folyadék milyen arányban oszlik meg a középső rész két oldala között. Minél több egy oszloprészbe alulról belépő gőz és felülről belépő folyadék mennyisége annál élesebb az elválasztás. Mivel a betáplálási oldalon nagyobb a folyadék- és gőzterhelés a betáplálás miatt, így ennek a résznek nagyobb mértékű a kiforralásra és refluxra van szüksége a szeparációhoz, mint az elvételi résznek. Ezzel magyarázható, hogy az energia minimum nem az
50-50%-os aránynál van. Esetünkben a 65%-os keresztmetszet aránynál van. Hőátadás hatása Az előző vizsgálatokban a hőátadási tényező és a felület szorzatát 250 W/K–nek vettük mivel ez a szakirodalom [4] által megadott tartomány (ami az acélfalakra vonatkozik szénhidrogének esetén) középértéke.
kolonnával. Ennél az elemzésnél csak a szétválasztandó anyag tömegáramát változtattuk az összetételét állandónak tekintettük és a kiforraló energia igényének változását figyeltük mind a két kolonnában. Az eredményeket a 8. ábra mutatja be. Az eredményekből látszik, hogy 75 kg/h terhelésig nincs jelentős különbség a két kolonna konstrukció között, ez után az oldal elvételes konstrukció energia igénye gyorsabban nő, míg az osztófalas kolonna energia igénye közel lineárisan emelkedik az adott tartományban.
Watt 36280
210
Osztó falas
36240
170
Oldalelvételes Qreb.(kW)
36200
36160
130
90
36120
50 36080 0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
W/K
7. ábra: Hőátadás hatása Ennél az elemzésnél az előző vizsgálatokban meghatározott méretű (tizenegy tányér magas) és függőlegesen középhelyzetű fal hőátadását változtattuk és közben a kiforraló hőigényét vizsgáltuk. A betáplálási oldal keresztmetszete 65%-a volt a teljes keresztmetszetnek. Az eredményeket a 7. ábra mutatja be. Az eredményekből látszik, hogy 250W/K-es ponton maximuma van a kolonna energia igénynek. Az is megállapítható, hogy a hőátadásnak nincs jelentős hatása (kb. 1%-os változás) az oszlop energiaigényére. Az osztott terű kolonna összehasonlítása az oldalelvételes kolonnával Az előző vizsgálatokban meghatározott legalacsonyabb energiaigényű kolonnát (tizenegy tányér magasságú középhelyzetű fal, 65%-os osztásarány) hasonlítottuk össze a vele megegyező paraméterekkel rendelkező oldalelvételes
10 70
72
74
76
78
80
82
84
86
88
90
kg/h
8. ábra: Konstrukciók összehasonlítása Ez a vizsgálat azt mutatja be, hogy az osztott terű kolonna, energetikailag jobb, mint a hagyományos konstrukció, különösen nagyobb betáplálási áram esetén.
Összefoglaló A kutatási feladat megoldása során leképeztük az osztott terű kolonnát Aspen Plus flowsheeting szimulátorban. A leképezéshez a szimulátorban lévő modulokat használtuk fel (Radfrac: részletes kolonna számító blokk, áram keverő, áram osztó). A leképezés során négy részre bontottuk fel a kolonnát, ezeket a részeket külön Radfrac blokkokkal kezeltük. Az osztófal hőáteresztő képességét is figyelembe vettük. A vizsgálataink során elemeztük, hogy egy adott szétválasztási feladatot ellátó osztott terű kolonna energiaigénye hogyan változik a fal méretének, helyzetének és szerkezetének (hőátadásának) módosításával. A vizsgálatok eredményeiből meghatároztunk egy adott szétválasztási feladathoz tartozó minimális energia felhasználást igénylő paraméterkombinációt. Az osztott terű kolonna energiaforgalmát összevetettük egy azonos tányérszámú oldalelvételes kolonna energiaigényével.
Irodalomjegyzék: [1] Haddad, H.N. Manley, D.B., Improve crude oil fractionation by distributed distillation HYDROCARBON PROCESSING 2008, VOL 87; NUMB 5, pages 93-110 [2] Maria Serra, Antonio Espun, Luis Puigjaner, Control and optimization of the divided wall column Chemical Engineering and Processing 38 (1999) 549–562 [3] Till Adrian, Hartmut Schoenmakers, Marco Boll, Model predictive control of integrated unit operations:Control of a divided wall column Chemical Engineering and Processing 43 (2004) 347–355 [4] Coulson J.M., Richardson J.F., Chemical Engineering Vol 1 Fluid Flow, Heat Transfer, Mass Transfer, Vol 6 Design Pergamon Press, Oxford, UK, 1993 [5] Aspen Plus 2006 Reference Guide, AspenTech Inc., MA, USA, 2006
