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
A történelem korai desztillációi Desztillációs készülék az alexandriai korszakból
Desztillációs készülék az arab korszakból
3
Szakaszos lepárló 1510-es ábrázolása egy német szabadállamból, Brunschweigből
www.tanszertar.hu/eken/2007_01/na_0701.htm 4
Méretnövelés
Olaszország, XVI. század
5
Rektifikálás (XIX. sz.)
6
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. H Térszerkezete: H H H H
O
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):
B lg p A C T 0
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
yj xj
13
Alapfogalmak - Raoult és Dalton törvények Dalton-törvény Parciális nyomásnak hívjuk azt a nyomást, amely az adott gázhalmazállapotú 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).
pj yjP
Raoult-törvény
Ideálisnak tekinthető gyakorlati szempontból egy elegy, ha bármely összetételnél (a teljes vizsgált hőmérséklettartományban) igaz az elegyre a Raoult-törvény, ahol p0j a j-edik komponens tenziója (Pa) adott hőmérsékleten xj a j-edik komponens móltörtje a folyadékfázisban.
p j p 0j x j 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
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
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
Egyensúlyi adatok számítása ideális elegyek esetén Az Antoine-egyenlettel kiszámítjuk az egyes komponensek tenzióit a két tiszta komponens forráspontja közötti, lehetőleg egyenletesen felosztott hőmérsékleteken. 1-es az illékonyabb komponens: p10
10
A1
B1 T C1
p20 10
A2
B2 T C2
A Raoult-törvény igaz, kifejezhetjük a parciális nyomást, de x ismeretlen : és p2 1 x p20 p1 x p10 Az összenyomás a parciális nyomások összege: P p1 p2
20
p1 x p10
p2 1 x p20
P p1 p2
P x p10 1 x p20 P x p10 p20 x p20
P p20 x p10 p20
P p20 x 0 p1 p20
Igaz a Dalton-törvény is, amivel az illékonyabb komponens móltörtjét kifejezhetjük a gőzfázisban: p1 x p10 y P P
Azaz kiszámoltuk minden T értékhez az x és y összetételeket.
21
Forrpont-harmatpont és egyensúlyi diagram – közel ideális elegy 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
Benzol-toluol elegy, atmoszférikus nyomáson
22
Forrpont-harmatpont és egyensúlyi diagram – közel ideális elegy
y
x
y
x
Benzol-toluol elegy, atmoszférikus nyomáson
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
Minimális forráspontú azeotróp
izopropil-éter–izopropanol atmoszférikus nyomáson
25
Maximális forráspontú azeotróp
aceton-kloroform elegy atmoszférikus nyomáson
26
Minimális forráspontú heteroazeotróp elegy
etil-acetát - víz elegy atmoszférikus nyomáson
27
Egyszerű szakaszos desztilláció Üst. A duplafalú tartályt általában gőzzel fűtik úgy, hogy a belsejében levő folyadék folyamatosan forrásban legyen.
Kondezátor: a csövekben hűtővíz áramlik, a csövek hideg külső falán lekondenzál a pára.
A vízszintes vonalon hegyén álló háromszög folyadékszintet jelől
Desztillátum gyűjtő tartály. A desztillátum a lekondenzált és összegyűjtött pára.
Kondenzedény. Csak a lekondenzált (folyadék halmazállapotú) fűtőgőzkondenzátumot engedi ki a túlnyomású 28 térből, a még használhatő fűtőgőzt nem.
Egyszerű szakaszos desztilláció
y(t)
Hűtővíz KI
Hűtővíz BE
Fűtőgőz BE
x (t) Fűtőgőzkondenzátum KI
T
T3 T T21 T0
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 x2 és ax1maradék x0 y3yy2 1is x3 folymatosan szegényedik az x, y illékonyabb komponensben, ahogy a desztillátum mennyisége nő.
t321 időpillanat Átlagos xD
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.
Kiindulási anyagmennyiség, L0. Illkonyebb komp. moltörtje x0 A maradék mennyisége t1 időpillanatban, L1 Illékonyabb komp. Moltörtje a maradékben x1
A desztillátum anyagmennyisge D (mol) összetételét az illékonyabb komponens 30 moltörtjével adjuk meg (x D)
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: d L dV d D 32
Egyszerű szakaszos desztilláció – matematikai leírás A Rayleigh-egyenlet és levezetése 2 a differenciális komponens-mérlegegyenlet és kifejtése:
L x ( L d L)( x d x) dV y L x L x d L x Ld x
L d x d L ( y x)
dx dL yx L
d L d x dV y hanyagoljuk el a dLdx tagot és rendezzük 0-ra:
0 d L x L d x dV y behelyettesítve az anyagmérlegből, hogy dL=dV
0 d L x Ld x d L y szeparáljuk a változókat
x0
L0 dx dL yx L x1 L1
x0
L0 dx y x ln L x1 1
33
Egyszerű szakaszos desztilláció – matematikai leírás A Rayleigh-egyenlet és alkalmazása x0
L0 dx y x ln L x1 1
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 anyagmennyiség (L0) és összetétel (x0), valamint az előírt tisztaság (x1) a Rayleigh-egyenlettel a maradék 34 mennyisége (L1) számolható.
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: L0 L1 D D L0 L1 L0 x0 L1 x1 L0 x0 L1 x1 D xD xD D
ahol xD az átlagosdesztillátumösszetétel 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 36 annál inkább a folyamatos műveletek válnak gazdaságossá.
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 betáplálás mólárama A pára mólárama V.
F. Összetétele xF (illékonyabb komp. moltört). Az állandósult állapot feltétele, hogy a betáplálás is időben állandó legyen.
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.
Összetétele y (illékonyabb komp. moltört) amely időben állandó és egyensúlyban van az üstben mérhető (és az üstből távozó) x moltörttel.
A maradékelvétel mólárama L. Összetétele x (illékonyabb komp. moltört) . Fűtőgőzkondenzátum elvétel kondenzedényen keresztül 38
Flash desztilláció nyomáscsökkentéssel Pára Folyadék halmazállapotú betáplálás.
Nyomáscsökkentő szelep Előmelegítő. Nyomás alatt olyan magas hőmérsékletre melegítjük a folyadékot, hogy még ne forrjon fel, de a nyomáscsökkentés után már a forrpontja felett legyen.
Cseppleválasztó ciklon. A nyomáscsökkentés hatására a forró folyadék egy része elpárolog. A párából az el nem párolgott folyadékcseppeket kiülepítjük, ez lesz a maradék.
Maradék.
39
Folyamatos egyensúlyi desztilláció részleges kondenzáltatással Pára Gőz halmazállapotú Betáplálás.
Részleges kondenzátor. A gőz halmazállapotú betáplálást annyira lehűtjük, hogy a kívánt összetételű folyadék kondenzáljon le.
Cseppleválasztó ciklon. A a hűtés hatására kivált folyadékcseppeket párából kiülepítjük, ez lesz a maradék.
Maradék.
40
A folyamatos egyensúlyi desztilláció matematikai leírása Anyagmérleg Komponensmérleg
F L V
F xF L x V y
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.
y
F xF L x F F V F L xF x xF x V V V V V 41
A folyamatos egyensúlyi desztilláció matematikai leírása L F y x xF V V Az egyenes meredeksége a maradék és a pára mólarányának aránya. Ezeket mi állítjuk be a fűtés (esetleg hűtés) mértékével.
ha x xF L F y xF xF xF V V 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. heteroazeotrópok) 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
Rektifikálás - mérlegegyenletek Teljes anyagmérleg F D W
A betáplálás (F), desztillátum elvétel (D) és a maradék elvétel (W) mind móláramban (pl. mol/s vagy kmol/h) helyettestíthetőek be.
Komponensmérleg F x F D x D W xW
Az összetételek moltörtben helyettesítendőek be. 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
Rektifikálás – refluxarány, munkavonalak 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.
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
Rektifikálás – refluxarány, munkavonalak Az oszlopban a tányérokat egyezményesen felülről lefelé számozzuk. Az adott tányért elhagyó (egymással egyensúlyban levő) pára és folyadékáramok indexe a tányér száma.
Az állandó moláris túlfolyás tétele alapján: V1 V2 ... Vn V L0 L1 L2 ... Ln L
53
Rektifikálás – felső munkavonal A komponensmérleg a felső oszloprészre: V yn1 L xn D xD
Anyagmérleg a felső oszloprészre (ugyanez az egyenlet írható fel a kondenzátorra is): V LD
Az yn+1-et kifejezve a komponensmérlegegyenletből, és behelyettesítve az anyagmérlegegyenletet: L D L D y n1 xn x D xn xD 54 V V LD DL
Rektifikálás – felső munkavonal y n1
L D L D xn x D xn xD V V LD DL
Helyettesítsük be a refluxarányt (R=L/D): yn1
R x xn D R 1 R 1
Az indexek elhagyásával általánosítva megkapjuk a felső munkavonal egyeletet, ami a tányérok közötti térben az egymás mellett elhaladó áramok összetétele között teremt kapcsolatot: y
R x x D R 1 R 1
55
Rektifikálás – alsó munkavonal Hasonló módon felírhatjuk az anyagés komponens-mérlegegyenleteket az alsó oszloprészre is. A V’ és L’ különbözteti meg a móláramokat az alsó oszloprészben a felső oszloprész V és L mólaramaitól: L' V 'W
L'xm V y m1 W xW
56
Rektifikálás – alsó munkavonal L' V 'W
L'xm V y m1 W xW
Az y-t kifejezve megkapjuk az alsó oszloprész munkavonalegyenletét is: y m1
y
L' W x m xW V' V'
L' W x xW V' V' 57
Rektifikálás – refluxarány, munkavonalak 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. L' W y x xW V' V'
58
Rektifikálás – a betáplálás hőállapota q
H F hF
F
, 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).
A betáplálás halmazállapota és jellemzője forráspont alatti folyadék, ún. hideg folyadék forrponti folyadék gőz és folyadék keverék, q értéke megegyezik a folyadékhányaddal telített gőz túlhevített gőz
hF
q
hF < HF
1
hF = HF -λF q = 1 hF = HF–q· r 0 < q < 1 hF = HF hF > HF
q=0 q<0
59
Rektifikálás – a betáplálás hatása a móláramokra q
H F hF
F
Írjuk fel az anyagmérleget a betáplálási tányérra: V L F V L
A gőz–folyadék vegyes betáplálás esetén a folyadékhányad (q) a lecsurgó folyadékhoz, a gőzhányad (1-q) a felszálló gőzhöz adódik. L L q F V V (1 q) F
60
Rektifikálás – a betáplálás hőállapota Vonjuk ki a felső munkavonal egyenletét az alsó munkavonal egyenletéből: L' W y x xW V ' y L' x W xW V' V' L D y xn xD V y L x D xD V V (V V ) y ( L L) x Wx W Dx D
L L q F V V (1 q) F
q 1 F y (q F ) x F xF q 1y (q) x xF y
q 1 x xF q 1 q 1
A q ismeretében kifejezhető és megszerkeszthető a q-vonal.
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
McCabe-Thiele-féle lépcsőszerkesztés y
1
yD=xD
1
Felső munkavonal 2
R tg R 1
0,8
3
4
q vonal
5
0,6
tg
xD R 1
6
Adott: Nelm=7 Tehát:
0,4
R, q, xw, xD, xF
7
0,2
q q 1
Nelm=?
Alsó munkavonal
yw=xw 0 0,2
0 xw
0,4
0,6 xF
0,8
1 xD x
64
REKTIFIKÁLÁS Hűtővíz BE
Hűtővíz KI
y y1
Betáplálás
xD
y2
x1
y3
x2
y4
x3
y5
x4
y6
x5
y7
x6
y8
x7
1
yD=xD
1
Desztillátum
0,8
xD
2
0,6
3 4
0,4
5 0,2
6
yw=xw
7
0 0,2
0 xw
0,4
0,6
0,8 xD
xF
Fűtőgőz BE
Fenéktermék
xw
Fűtőgőz kondenzátum KI
65
1 x
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
Ffaktor v G 1 m kg 2 Pa s m3
G
PM R T
P P0 P N valós
• 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. 68
Rektifikálás – tányérhatásfok
A működési tartomány az, ahol a görbék vízszintesek
69
Rektifikálás – oszlopátmérő számítása • Kiválasztunk egy olyan terhelési tényező értéket (tartományt) amelynél az oszlop működése az optimális tartományba esik.
70
Rektifikálás – tányérhatásfok
A működési tartomány az, ahol a görbék vízszintesek
71
Rektifikálás – oszlopátmérő számítása v
Ffaktor
G
Térfogatáram az oszlop tetején és alján R Tt V V P0
R Ta V V P
V V 4V v 2 2 A Do Do 4 4V Do v
• 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. 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).
N valós
N elm
tányér
74
Rektifikálás – tányérhatásfok
A működési tartomány az, ahol a görbék vízszintesek
75
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).
N valós
N elm
tányér
• A tányérok számát megszorozzuk a tányértávolsággal. H N valós H 76
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
77
Harangsapkás tányér
78
Szitatányér
79
Szelepes tányér
80
Szelepes tányér működési elve
G
G
G
ő
ő
ő
z
z
z
81
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. H N HETP HETP= Height Equivalent of Theoretical Plate
Sulzer Mellapak töltet
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. H HTUa NTUa HTUf NTUf
84
Elméleti háttér V d y K y a A ( y y ) d H
V
Ky a
A y mx
páraáram a felső oszloprészben (mol/s),
anyagátbocsátási tényező (mol/(m2∙s)), a töltet fajlagos felülete (m2/m3), nedvesítési ténező (-), oszlopkeresztmetszet (m2), az a hipotetikus koncentráció, amely folyadékfázissal egyensúlyban lenne (-).
a 85
Elméleti háttér - kétfilm elmélet y Ai mxAi
J A x ( x A x Ai ) m x x ( x A x Ai ) ( y A y Ai ) m m J A y ( y Ai y A )
J Am
x
JA
y 1 1 m Ky y x
y A y Ai y Ai y A
m 1 y A y Ai y Ai y A J A x y J A K y ( y A y A )
86
Oszlopmagasság számítása V d y K y a A ( y y ) d H V dy dH Ky a A y y Hf
yD
V dy H dH K a A y y y 0 y
F
yD
V HTU f Ky a A
NTU f
V' Ky a A
NTU a
HTU a
yF yF
yW
dy y y dy y y 87
HTU számítása adott: F, R, q, xF, xD, xW F W D
F x F W xw D x D F xF W xw D xD W xw F W xD
W
F xF xD xW xD
D F W
V R 1 D V HTU f Ky a A
V ' V q 1 F V' HTU a Ky a A 88
NTU számítása
89
Rendezetlen töltetes oszlop
90
Rendezetlen töltetek / gyűrűk
Raschig-gyűrű
Pall-gyűrű 91
Kaszkád gyűrű
Rendezetlen töltetek / nyergek
Berl-nyereg Intalox-nyereg 92
Szuper intaloxnyereg
További rendezetlen töltetek
Hópehely Konjugált gyűrű 93
Lessing-gyűrű
További rendezetlen töltetek
Kerámia golyók
Envipack gömb
Spirális töltet 94
Rendezett töltetes oszlop
95
Rendezett töltetek
96
Folyadék elosztók
97
Töltet alátámasztások
98
Töltet lefogók
99
Összeszerelés
100 tonnás elem (fal + töltet) behelyezése régi kolonna felújítása során.
folyadékelosztó összeszerelése fényképek: Sulzer kolonnafelújítás
100
Gazdasági optimum
Csökken a szükséges oszlopmagasság (tányérszám)
Jelentősen nő az oszlop átmérője
101
Gazdasági optimum Q üst V W
V q 1) F W
R 1D q 1F W
Hűtés és fűtés költsége
Q kond VD R 1DD
102
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.
103
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
