DIPLOMADOLGOZAT. Szabó László

DIPLOMADOLGOZAT

Szabó László 2009

Pannon Egyetem Folyamatmérnöki Intézeti Tanszék

DIPLOMADOLGOZAT

Osztott ter rektifikáló kolonna dinamikai vizsgálata

Szabó László

Témavezet : dr. Németh Sándor dr. Szeifert Ferenc 2009

Nyilatkozat Alulírott Szabó László diplomázó hallgató, kijelentem, hogy a szakdolgozatot a Pannon Egyetem Folyamatmérnöki Intézeti Tanszékén készítettem a Vegyészmérnöki szak (Master in Chemical Engineering) diploma megszerzése érdekében. Kijelentem, hogy a diplomadolgozatban foglaltak saját munkám eredményei, és csak a megadott forrásokat (szakirodalom, eszközök, stb.) használtam fel. Tudomásul veszem, hogy a szakdolgozatban foglalt eredményeket a Pannon Egyetem, valamint a feladatot kiíró szervezeti egység saját céljaira szabadon felhasználhatja. Veszprém, 2009-április-27.

Szabó László

Alulírott dr. Németh Sándor témavezet kijelentem, hogy a szakdolgozatot Szabó László a Pannon Egyetem Folyamatmérnöki Intézeti Tanszékén készítette a Vegyészmérnöki szak (Master in Chemical Engineering) diploma megszerzése érdekében. Kijelentem, hogy a diplomadolgozat védésre bocsátását engedélyezem. Veszprém, 2009-április-27.

dr. Németh Sándor

Tartalmi összefoglaló Az osztott ter többkomponens

kolonna egy ígéretes energiatakarékos alternatíva a

elegyek szétválasztására. A berendezés lényege, hogy az

oldalelvételes kolonna oszlopterét megosztják egy függ leges válaszfallal, ezáltal elválasztva egymástól betáplálási és az elvételi zónát. A diploma dolgozatomban a készülékre jellemz

f

paraméterek hatását vizsgálom, mint például a

keresztmetszet arányt, az osztófal magasságát és függ leges helyzetét, és a fal h vezet -képességét. A rendszert egy háromkomponens elegy szétválasztásának példáján keresztül mutatom be. A feldolgozandó elegy benzolt, toluolt és o-xilolt tartalmaz különböz

összetételben. A termékek tisztaságát 99%-ra határoztam

meg. A célom az volt, hogy megtaláljam a minimális energiaszükséglet konstrukciójú osztott ter

kolonnát, és azt összehasonlítsam az oldalelvételes

rendszerrel. A legkisebb energiafelhasználású konstrukció alapján dinamikus rendszert is laképeztem és ez alapján vizsgáltam az osztott ter

kolonna m ködését és

irányíthatóságát. A munkához Aspen Plus és Aspen Dynamics szoftvereket használtam. Kulcsszavak: osztott ter

kolonna, osztófalas kolonna, Aspen Plus Aspen

Dynamics, modellezés, energia megtakarítás, több komponens szétválasztása

elegyek

Abstract The divided wall column system is a promising energy-saving alternative for separating multi-component 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 diploma work, 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. My destination was to determine optimal parameter the combination of a divided wall column, and to compare the optimal column with a column with sidestream-product. After the parameter-determination dynamic simulator of the column was developed This simulator was applied to investigate the operation and control of this distillation apparatus. The structure of the divided wall column was introduced in Aspen Plus and Aspen Dynamics simulator using the Radfrac unit of the software. Keywords: divided wall column, dividing wall column, Aspen Plus, Aspen Dynamics, modeling, energy saving, multi-component distillation

Tartalomjegyzék 1.

1. Bevezetés ................................................................................................. 1

2.

Irodalmi összefoglaló ................................................................................... 3

2.1. Kéttermékes rektifikáló kolonnák sorba kapcsolása .............................. 3 2.2. Oldaltermékes kolonna ......................................................................... 5 2.3. Oldaltermékes kolonna oldalsztripperrel és oldalrektifikálóval ............. 6 2.4. Oldaltermékes kolonna el frakcionálással ............................................ 8 2.5. Petlyuk kolonna.................................................................................... 8 2.6. Osztott ter rektifikáló kolonna ............................................................ 9 2.6.1. A kolonna m ködési elve................................................................ 11 2.6.2. A kolonna optimalizálása [9] .......................................................... 14 2.6.3. A „Shortcut” modell bemutatása..................................................... 14 2.7. Aspen Plus és Aspen Dynamics szimulációs rendszerek bemutatása... 16 2.7.1. A vizsgálatok során alkalmazott modellek ...................................... 17 3. A stacioner állapotok vizsgálatoka ............................................................. 20 3.1. Az elválasztási feladat meghatározása ................................................ 20 3.2. A kolonna leképezése stacioner szimulátorban ................................... 20 3.2.1. Az osztott ter kolonna dekomponálása .......................................... 21 3.2.2. Az osztott ter kolonna stacioner modellje...................................... 22 3.3. A stacioner vizsgálatok eredménye..................................................... 24 3.3.1. A falmagasság hatása...................................................................... 25 3.3.2. A függ leges pozíció hatása ........................................................... 27 3.3.3. A keresztmetszetarány hatása ......................................................... 29 3.3.4. A h átadás hatása ........................................................................... 32 3.3.5. Az osztott ter kolonna energia kihasználása .................................. 32 3.4. A stacioner vizsgálatok eredményeinek összefoglalása ....................... 33 4. A Dinamikus állapotok vizsgálata .............................................................. 35 4.1. Az osztott ter kolonna leképezése dinamikus szimulátorban ............. 35 4.1.1. A dinamikus modell........................................................................ 35 4.1.2. A szabályozó körök ........................................................................ 38 4.1.3. A szabályzók hangolása.................................................................. 39 4.1.4. Szabályzókörök vizsgálata.............................................................. 43 4.1.5. A kolonna viselkedése zavarás hatására .......................................... 47 4.2. A dinamikus vizsgálatok értékelése .................................................... 55 5. Összefoglalás ............................................................................................. 56 Irodalomjegyzék ................................................................................................ 57 Köszönetnyilvánítás........................................................................................... 58

Bevezetés

1. 1. Bevezetés A vegyiparban a folyadék elegyek szétválasztására megközelít leg 95%-ban desztillációt alkalmaznak, e készülékek m ködtetésére felhasznált energia a Föld energiafelhasználásának 3%-a [1]. A desztillációs m veletek között a rektifikálás az egyik legelterjedtebb elválasztó m velet, különösen a petrolkémia területén [2]. Nagyszámú alkalmazása és nagy energia felhasználása miatt intenzíven folyik a desztilláló készülékek konstrukciójának, üzemeltetési stratégiájának fejlesztése. A gyakorlatban, a legtöbb esetben sokkomponens elegyek szétválasztása a feladat a lehet

legkisebb üzemeltetési és beruházási költség mellett. A szétválasztási

feladat megoldható kéttermékes, vagy többtermékes (oldalelvételes) kolonnák felhasználásával.

Cél

az

energetikailag

legjobb

struktúra

kivállasztása.

Energetikailag kedvez megoldást kínálnak a szétválasztási feladat megoldására az ún. osztott ter

kolonnák (1. ábra) [3] A berendezés lényege, hogy az

oldalelvételes kolonna oszlopterét megosztják egy függ leges 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 m ködik, vagyis jobb lesz az energia fajlagos kihasználása. Ezzel a módszerrel, bizonyos beruházási költség árán a már meglév m veleti egységek energia kihasználása is növelhet . Diplomadolgozatomban bemutatom, az osztott ter

kolonna leképezését

flowsheeting szimulátorban. Szimulációs vizsgálatokat végezve elemezem a kolonna m ködését különböz konstrukciók esetében, valamint tanulmányozom a dinamikai viselkedését a rendszernek. A vizsgálat során bemutatom, 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 [4] és Aspen Dynamic szimulátort használtam.

1

Bevezetés

1. ábra Az osztott ter kolonna sematikus és metszeti ábrája

2

Irodalmi összefoglaló

2. Irodalmi összefoglaló A sok komponens folyadék elegyek szétválasztása igen gyakori feladat az iparban, ennek hatására a f fejlesztési irány, hogy minél kisebb üzemeltetési és beruházási költség árán tudjuk ezen elegyeket komponensekre bontani. Az irodalmi összefoglalóban bemutatom a sokkomponens elegyek szétválasztására alkalmas rektifikáló konstrukciókat, beleértve az osztott ter kolonnát is. 2.1. Kéttermékes rektifikáló kolonnák sorba kapcsolása A hagyományos rektifikálás során a m veleti egységbe egy áramot vezetünk be (betáplálási áram), egy terméket veszünk el az oszlop alján (maradék) valamint egyet másodikat az oszlop tetején (párlat). Ezzel a módszerrel a betáplálást két különböz forráspontú elegyre lehet szétválasztani. Sokkomponens elegyet hagyományos rektifikálással, a m veleti egységek sorba kapcsolásával tudunk szétválasztani. A módszer lényege, hogy a szétválasztás els

lépésében a betáplált elegyb l legkönnyebb, vagy a

legnehezebb komponenst távolítjuk el, esetleg két különböz

forráspontú

frakcióra választjuk szét. Ezután a fennmaradó elegyet vagy elegyeket egy másik rektifikáló kolonnába vezetjük. Így „n” komponens elegy szétválasztásához „n1” darab készülék kell, amelyeket

[2 ⋅ (n − 1)]! n!⋅(n − 1)!

módon lehet sorba kapcsolni.

Három komponens elegynél kétféle, tíz komponens nél 4862 - féle variáció lehetséges. [5] Egyenes szétválasztási sorrendnek nevezik azt az esetet mikor minden egyes lépésnél a könny komponenst veszik el termékként, a fordított sorrendnél a nehézkomponenst.(2. ábra) Ha a többkomponens

elegy szétválasztását sorba kapcsolt kolonnákkal

oldjuk meg, akkor rendszer tervezésénél a legfontosabb, hogy a komponenseket milyen sorrendben válasszuk szét. Ezt eldönthetjük szisztematikus vizsgálattal és gazdasági

értékeléssel,

valamint

heurisztikus

szabályok

alkalmazásával.

Legtöbbször nem alkalmazzák a szisztematikus tervezést, mivel a nagyszámú

3


variációs lehet ség miatt id

és költség igényes lenne.(Hiba! A hivatkozási

forrás nem található.)

(a)

(b)

2. ábra (a): egyenes szétválasztási sorrend sémája; (b): fordított szétválasztási sorrend sémája 1. Táblázat A kolonnák sorba kapcsolásának variációi Komponensek száma „n”

2

3

4

5

6

7

8

Kolonnák száma

1

2

3

4

5

6

7

Lehetséges variációk száma

1

2

5

14

42

132

429

A

tervez i

gyakorlatban

legtöbbször

a

többkomponens

elegyek

elválasztásánál a kapcsolódási sorrend kialakítására néhány heurisztikus szabályt [5] alkalmaznak: 1. Kolonnánként közel azonos nagyságú komponensáramok, relatív illékonyságok és szétválasztási igények esetén általában az egyenes sorrend a kedvez bb. 2. Ha a szétválasztás során az egyik nehezebb komponens mennyisége túlsúlyban van a többihez képest, akkor a fordított sorrend választása lehet célszer bb (ekvimoláris szétválasztás). 3. Ha két egymást követ

komponens relatív illékonysága közel

egységnyi (közeli forráspontú komponensek), a fordított sorrend

4


választása kedvez bb lehet, mert a „nehéz” szétválasztásokat célszer a folyamat végére hagyni. 4. Annak a komponensnek az elválasztását, amelyre nagy tisztasági fokot írunk el , célszer a folyamat végére hagyni. Ez is indokolja tehát a fordított sorrend választását. 5. Korróziót okozó komponenseket célszer minél el bb eltávolítani 6. Gyantásodásra, polimerizációra hajlamos komponenseket minél el bb távolítjuk el az elegyb l Könny belátni, hogy az egyes heurisztikus szabályok sokszor egymásnak ellentmondanak és érvényességi körük változó. Figyelembe kell vennünk még az el z szabályokon kívül az adott szétválasztási feladatnál fellép körülményt. Így végleges döntés csak úgy hozható, ha egyes kapcsolódási sorrendeken részletes m szaki és gazdasági elemzést végzünk. A sorba kapcsolt rektifikáló kolonnák el nye: •

a kinyert komponensek tisztasága jól szabályozható

•

nagy forráspontkülönbségek esetén jó lehet a hatásfoka

A sorba kapcsolt rektifikáló kolonnák hátránya: •

kisszámú termék esetén alkalmazható gazdaságosan

•

nagyszámú m veleti egységb l áll (nagy beruházási költség)

•

rossz energia kihasználás

2.2. Oldaltermékes kolonna Az oldaltermékes kolonna, abban különbözik a hagyományos kéttermékes rendszert l, hogy két termék helyett három vagy több terméket veszünk el az oszlopból. Ezzel a módszerrel a betáplált elegyet több különböz forráspontú alkotóra lehet szétválasztani egy lépésben. Így két sorba kapcsolt kolonna helyettesíthet egy oldaltermékes kolonnával melynek egy oldalelvétele van. Ha a többkomponens elegy szétválasztását oldaltermékes kolonnával oldjuk meg, akkor a rendszer tervezésénél a legfontosabb, hogy meghatározzuk a tányérszámot, és elhelyezzük a betáplálás és az elvétel helyét. Az egyensúlyi egységek számát SHORTCUT modellek alkalmazásával lehetséges a betáplált és elvett anyagáramok helyét próbálgatással lehetséges meghatározni.

5


A betáplálás és az oldalelvételek között fontos, hogy megfelel számú tányér legyen, mivel a betáplálás ronthatja a termék min ségét. Ezért az oldaltermékes kolonnáknál nem táplálnak be, és nem vesznek el ugyan azon tányérról, mivel ez nagymértékben rontaná az oszlop hatásfokát. Ha megvizsgálunk bármely oldaltermékes kolonnát, akkor a betáplálási tányér az elvételi tányér alá illetve fölé kerül. Így alkalmazhatjuk az egyszer kolonnák sorba kapcsolásánál használt csoportosítást. Egyenes sorrendnek nevezzük, ha a betáplálás az elvétel fölött van, illetve fordítottnak, ha alatta.

(a)

(b)

3. ábra (a): egyenes sorrend szétválasztás sémája oldalelvételes kolonnával; (b): fordított sorrend szétválasztás sémája oldalelvételes kolonnával Az oldaltermékes kolonnákat nagy számban alkalmazzák az olajiparban f ként a k olaj atmoszférikus és vákuum desztillációjánál így az egyik legelterjedtebb elválasztási módszere a többkomponens

elegyeknek. Nagy

el nye, hogy egy m veleti egységgel kell számú alkotóra lehet szétválasztani a betáplált anyagot. Hátránya, a betáplálás és az elvétel helyének méretnövel hatása, és hogy az oldaltermék koncentrációját szabályozni nem lehet. 2.3. Oldaltermékes kolonna oldalsztripperrel és oldalrektifikálóval

6


Az oldaltermékes kolonna hátrányainak kiküszöbölésére több módszer is létezik, két példa erre az oldalsztripper és az oldal rektifikáló alkalmazása. Ennek a két módszernek az alapelve megegyezik, oldal terméket vesznek el az oldalelvételes kolonnából (ebben az esetben a f kolonna), majd azt egy segéd kolonnába vezetik. A két módszer abban különbözik, hogy az oldalrektifikáló esetén g z terméket veszünk el a f kolonnából, és egy kondenzátorral rendelkez

segéd

kolonnába vezetjük. Az oldalsztripper esetén a f kolonna oldalterméke folyadék és a

segéd

oszlop

kiforralóval

rendelkezik.

Ezekkel a

módszerekkel

szabályozhatjuk az oldalelvételként kinyerni kívánt anyag tisztaságát és csökkenthetjük a betáplálás hatását az elvételre. Ahogy a hagyományos oldalelvételes rendszernél itt is megállapíthatjuk a, hogy az elválasztás egyenes vagy fordított sorrendnek fele meg. Az oldalsztripperes

rendszer

fordított

szétválasztásnak

felel

meg,

míg

az

oldalrektifikáló az egyenes sorrendnek.

(a)

(b)

4. ábra (a): oldalrektifikálóval rendelkez oldalelvételes kolonna; (b): oldalsztripperrel rendelkez oldalelvételes kolonna Ezeknek a rendszereknek nagy el nye, hogy az oldaltermék koncentrációja szabályozható, így kiküszöböli a betáplálás hatását az oldaltermék tisztaságára. Hátrányuk, hogy kiegészít egységekre van szükség az oldaltermékes kolonna mellett, és hogy a f kolonna energiaszükségletén túl a segédkolonnák energiaszükségletét is biztosítani kell.

7


2.4. Oldaltermékes kolonna el frakcionálással Az oldaltermékes kolonna hatásfokának javítására egy alternatíva az el frakcionáló szétválasztandó

alkalmazása.

Ennek

többkomponens

a

m veletnek

elegyet

egy

a

lényege,

kéttermékes

hogy

a

kolonnába

(el frakcionáló) vezetik, itt két különböz forráspontú elegyre válik szét, majd mind a párlatot, mind a maradékot különböz

tányérokon tápláljuk az

oldaltermékes kolonnába (f kolonna).

5. ábra Oldalelvételes kolonna el frakcionálással Ezzel a módszerrel csökkentjük a betáplálás megváltozásának hatását az elvételre, így a tervezés során kisebb f kolonna kell és az oldalelvételes kolonna energiaigénye kisebb lesz, mint el frakcionálás nélkül. A rendszer nagy hátránya, hogy két m veleti egységb l áll, két kiforralója és két kondenzátora van, ezek kölcsönhatása energetikailag kedvez tlen. 2.5. Petlyuk kolonna A Petlyuk kolonna az el frakcionálóval ellátott rendszer továbbfejlesztése. Ebben a rendszerben is van el frakcionáló kolonna, de az nem rendelkezik se, kondenzátorral se visszaforralóval. Az oldal kolonna refluxát a f kolonnából

8


elvett folyadékkal, míg a kiforralást ugyancsak a f kolonnából vett g zzel biztosítjuk, ezért ezt a rendszert termikusan csatolt rendszernek nevezzük.

6. ábra Petlyuk kolonna Ennek a kolonnának nagy el nye, hogy egy kiforralója és egy kondenzátora van. A Petlyuk kolonna hatásosan csökkenti a betáplálás hatását az elvétere és ezzel kisebb lesz a kolonna rendszer energiaigénye ugyanazon szétválasztási feladatnál, mint egy oldalelvételes kolonnánál [6]. A rendszer hátránya, hogy megvalósításnál bonyolult az el frakcionálóba betáplált reflux és a g z szabályozása. 2.6. Osztott ter rektifikáló kolonna Az osztott ter rektifikáló kolonnát tekinthetjük a Petlyuk kolonna és az oldaltermékes kolonna tovább fejlesztésének. A berendezés lényege, hogy az oldalelvételes kolonna oszlopterét megosztják egy függ leges válaszfallal, ezáltal elválasztva egymástól betáplálási és az elvételi zónát. Így megakadályozható, hogy a betáplálási áram közvetlenül keveredjen az elvétellel. A betáplálási zóna megfeleltethet a Petlyuk kolonna el frakcionáló részének, ezért nevezhet ennek a konstrukciónak, a továbbfejlesztésének [7]. A két konstrukció modellezési szempontból abban tér el egymástól, hogy az osztott ter rendszernél figyelembe kell venni az osztófalon a h átadást is.

9


7. ábra Az osztott ter kolonna és a Petlyuk kolonna összehasonlítása Az osztott ter rektifikáló kolonnát el ször 1949-ben publikálta Richard O. Wright „Fractination Apparatus” címmel [3]. Ebben a cikkben metán, etán, propán, bután elegye szétválasztása példáján keresztül mutatja be a kolonnát, és a m velett l az oldaltermék tisztaságának növekedését várta. A konstrukció nem terjedt el megbízható tervezési eljárás és üzemeltetési tapasztalatok hiányában. 1980-as energiaválság után került el térbe újra a konstrukció, mint az energia megtakarítás egyik ígéretes alternatívája. 1985-ben építette meg a BASF az els

ipari alkalmazású osztott ter

kolonnát

Németországba Ludwigshafen-ben [8], ez a kolonna finomkemikáliákat választ el. A rendszer gyakorlati alkalmazása bebizonyította, hogy az osztott ter rendszer teljesíti az elvárásokat. Napjainkban több mint száz osztott ter rendszer m ködik világszerte, és évente megközelít leg tízet építenek a vegyipar minden területén. Az osztott ter

oszlopok nem csak az üzemeltetési költséget csökkentik,

hanem a beruházási költséget is, mivel a rendszer installálásakor egy oszlopot kell felépíteni melynek kisebb lesz a mérete, mint egy hagyományos rendszer oszlopának mérete. Egy példa a beruházási költség megtakarítására az UOP cég „Pacol Enhancement Process” eljárása mellyel 14%-os költségcsökkenés érhet el.[8] Az osztott ter kolonna elvét nem csak új oszlopok építésére alkalmazzák, hanem már meglév rendszerek hatásfokának növelésére is. Példaként kiemelend hogy a Koch-Glitsch cég átalakított egy oldaltermékes kolonnát az ExxonMobil

10


vállalatnak a Fawley finomítójukban (Southampton, Anglia). Az átalakítás harminc nap alatt készült el, és a kolonna energia megtakarítása 53%-os lett.[8] 2.6.1. A kolonna m ködési elve Az osztott ter

rendszer m ködési elve megegyezik a Petlyuk kolonna

m ködési elvével, így a két konstrukciót egyszerre tárgyalom a továbbiakban. A kolonnákat benzol (B), toluol (T), xilol (X) elegy szétválasztása során mutatom be. A keverékben a könny komponens a benzol a nehéz a xilol a toluol pedig a közép termék. A szétválasztandó oldatot a betáplálási részbe illetve az el frakcionálóba vezetjük be, itt válik szét a benzol és a xilol, miközben a toluol megoszlik a felfelé és a lefelé haladó áramok között, a kolonna e részén törekedni kell a nehéz és a könny

komponens minél élesebb elválasztására, mert az megakadályozza az

oldaltermék szennyez dését. Így a fal és az el frakcionáló tetején benzol-toluol, az alján toluol-xilol elegy távozik. A benzol-toluol szétválasztása a f kolonna fels részén történik, toluol-xilol szétválasztása az alsó részen történik. Az elvételi oldalon és a f kolonna középs részén a toluol koncentrációja egy maximumot ér el, ezekbe a részekbe anyagáram csak felülr l és alulról lép be így az elvétel tisztaságát nem zavarja belép áram. [9] Az osztott ter

konstrukció alapelvéb l adódik, hogy sajátos profillal

rendelkezik, hiszen az osztott részben, a kolonna profilja kettéválik. A Petlyuk kolonnánál viszont két profil van, hiszen az el frakcionáló rész tányérszáma nem egyezik meg a f kolonna középs részének tányérszámával. A 10. ábra mutatja a toluol koncentrációprofilját az osztott rendszerben. Jól látható, hogy az elvételi oldalon a toluol koncentrációja magasabb, mint a betáplálási oldalon, és nem zavarja a betáplálási áram hatása. Ezért a betáplálási tányér helyét nagyobb szabadsággal választhatjuk meg, mivel így csak a kolonnában kialakuló koncentrációprofilt kell figyelembe venni. Ha a benzol és a xilol elválasztása éles a betáplálási részen, akkor látható, hogy a kolonna fels

részében a xilol

koncentráció (11. ábra) az alsó részében a benzol koncentráció (9. ábra) elhanyagolható.

11


B

BT

B BT

BTX

T

BTX

T

TX

TX

X

X

8. ábra Az osztott ter kolonna és a Petlyuk kolonna m ködési sémája

1

Elvételi oldal;alsó, fels rész Betáplálási oldal

0.9 0.8

(mol/mol)

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0

5

10

15

20

25

Tányérszám

9. ábra Az osztott ter kolonnában benzol koncentrációprofilja

12


1

Elvételi oldal;alsó, fels rész Betáplálási oldal

0.9 0.8

(mol/mol)

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0

5

10

15

20

25

Tányérszám

10. ábra Az osztott ter kolonnában toluol koncentrációprofilja

1.0 Elvételi oldal;alsó, fels rész

0.9 0.8

Betáplálási oldal

(mol/mol)

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0

5

10 15 Tányérszám

20

25

11. ábra Az osztott ter kolonnában xilol koncentrációprofilja

13


2.6.2. A kolonna optimalizálása [9] A komplex kolonnák szimulációja, mint például az osztott ter rendszeré sokkal összetettebb, mint a hagyományos rendszerek szimulációja. Ez azzal magyarázható, hogy nagyobb a szabadsági foka az összetett kolonnáknak és a tervezési változók száma is nagyobb. Az oszlopok tervezését általában un. Shortcut modell felhasználásával kezdik, osztott ter kolonnának ilyen modellje nincs, de három hagyományos Shortcut blokkal közelíthet a rendszer (12. ábra). Ez a megoldás nem tükrözi a rendszert tökéletesen, így optimalizálni kell, erre szolgáló algoritmust mutat be a 13. ábra.

12. ábra Shortcut modell sematikus ábrája

2.6.3. A „Shortcut” modell bemutatása Az osztott ter kolonnát három részre dekomponáljuk e módszer során. A K-1 blokkal a betáplálási részt a K-2 és a K-3 egységekkel az oszlop fels alsó és az elvételi részét képezzük le. A K-1 kolonna fejtermékét g z állapotban vesszük

14


el. Valamint meg kell jegyezni, hogy az oldalterméket két részben vesszük el ezek az áramok a T1 és a T2 áram. Minden egységben a refluxarányt és a nyomásprofilt specifikáljuk, így megkapjuk az oszlopok tányérszámát, a betáplálási tányért, valamint a kolonnában áramló folyadék és g z mennyiségét. A kolonnában áramoló anyag mennyisége a K-2 kolonnában a reflux meghatározásában nyújt segítséget, a K-1 áramai az osztott részbe lép folyadék és g z mennyiségének osztásarányát határozza meg. A

Shortcut

modellek

tányérszámából

és

betáplálási

helyéb l

következtethetünk az osztott rendszer felépítésére. Egy példán keresztül be szeretném mutatni az osztott ter tervez

kolonna paramétereinek meghatározását. A

modellek eredményeit a 2. Táblázat tartalmazza A dolgozat további

részében a tányérok számozását mindig felülr l kezdem. 2. Táblázat Shortcut modellek eredményei K-1

K-2

K-3

Tányérszám

20

35

29

Betáplálási tányér

11

23

18

Az osztott ter kolonna tányérszámát a K-2 és K-3 modul tányérszámának összegéb l kapjuk meg, így a 64 tányérszámú lesz a rendszer. A kolonna tányérszáma megegyezik a K-2 betáplálási tányér számával (23). Az osztott rész alsó tányérjának számát úgy kapjuk meg, hogy a K-2 tányérszámához hozzáadjuk a K-3 betáplálási tányérszámát, tehát 53 lesz. Ebb l látszik, hogy az osztott rész tányérszáma

30,

míg

az

el frakcionáló

kolonna

(K-1)

tányérszámára

20 adódik, érdemes ilyenkor a nagyobb tányérszámot választani és a betáplálási és az elvételi oldalon, megegyez egyensúlyi egységet meghatározni. Erre azért van szükség, mert ha az osztott rész két oldala között aszimmetrikus tányérszámot alkalmazunk, akkor eltér k lesznek a nyomásviszonyok és így a kolonna komplexitása n . Látható, hogy a Shortcut modellek alkalmazásával nem tudjuk megfelel pontossággal meghatározni a kolonna paramétereit, de a módszer eredménye megfelel kezdeti értéket ad az algoritmikusoptimalizáláshoz.

15


13. ábra Az osztott ter rendszer optimalizálási algoritmusa

2.7. Aspen Plus és Aspen Dynamics szimulációs rendszerek bemutatása

16


A tervezési számítások során szimulációs programokat alkalmaznak a szétválasztási eljárások stacioner és dinamikus vizsgálatára. Ezekkel a programokkal képesek vagyunk költséghatékonyan vizsgálni a technológiai rendszereket. A vizsgálataim során a stacionárius szimulációkhoz Aspen Plus a dinamikus vizsgálatokhoz Aspen Dynamics szimulációs programot használtam. Ezek a szoftverek a vegyipari rendszerek szimulációjára kifejlesztett programok. F jellemz jük, hogy a rendszereket grafikus felületen folyamatábra szer en lehet leképezni. A m veleti egységeket blokként ábrázolják és az adott egység f bb paramétereit lehet specifikálni bennük. A szimulációs számítások el tt meg kell hadni az egységekbe lép áramokat. A program az anyagok fizikai tulajdonságait termodinamikai tulajdonságbecsl módszerek alkalmazásával számítja ki, így meg kell határozni azt is, hogy mely becsl módszert alkalmazza a szoftver. A szimuláció során a szoftver kiszámítja a m veleti egységek m ködési körülményeit, valamint a kilép

áramok mennyiségét és tulajdonságait. A

stacioner szimulátor egy munkaponthoz tartozó értékeket számít ki, a dinamikus szimulátorral viszont képesek vagyunk a tranziens állapotokhoz tartozó értékeket vizsgálni. 2.7.1. A vizsgálatok során alkalmazott modellek Ebben a fejezetben ismertetem a számítások során alkalmazott blokkokat és azok f bb paramétereit. „RadFrac” Ez a blokk egy részletes kolonna számító modul. Ezzel az egységgel képeztem le az osztott rendszer egyes részeit. A számításhoz specifikálni kell a következ ket: •

Tányérszám

•

Kondenzátor típusa

•

Visszaforraló típusa

•

Refluxarány

•

Visszaforralóba betáplált h

17


•

Betáplálás helye

•

Oldalelvétel helye

•

Oldalelvétel mennyisége

•

Kondenzátor nyomása

•

Nyomásesés

Ez a blokk ki tudja számítani a tányérok nyomásesését, valamint célérték keresést tud végezni az egyes paraméterekre. Dinamikus szimuláció alkalmazva meg kell adni az egységben a tányérok átmér jét, magasságát, valamint specifikálni kell a reflux tartály méreteit és az oszlopfenék méreteit. „FSplit” Ez a blokk a bevezetett áramot osztja a kívánt arányba szét. Ebben a blokkban specifikálni lehet az osztásarányt mind a belép mind a kilép anyagok arányában, a kilép áram mennyiségét. „HeatX” Ezt a blokkot lehet egyszer modellként is használni a h cserél felületének és h átadási tényez jének kiszámítására, valamint részletes h cserél modellként is alkalmazható. Ebben az esetben a h cserél részletes geometriai adatait is meg kell adni. Egyszer sített modellként specifikálni lehet egyet az alábbiak közül •

Kilép áramok h mérsékletét

•

Áramok h mérsékletváltozását

•

A belép hideg és a kilép meleg áram h mérséklet különbségét

•

Kilép áramok g zhányadát

•

Átadott h mennyiségét

•

Hajtóer t

Tervez módban használva a blokkot megkapjuk a specifikációnak megfelel h cserél adatait. Ezeket a paramétereket írhatjuk felhasználhatók a h cserél részletes számításakor.

18


„Valve” Ez a blokk a szelepek leképezésére alkalmas és belép áram nyomását a kívánt értékre vagy kívánt értékkel csökkenti. Az egységben részletesebben is lehetséges a szelep definiálása, így meg lehet adni a szelep karakterisztikát, átmér t, típust szeleppozíciót. Vizsgálataim során a részletes szeleptervezést l eltekintettem. „Pump” Ez a blokk a szivattyú leképezésére szolgál. A blokkban specifikálható egy az alábbiak közül •

Kilép nyomás

•

Nyomásnövekedés

•

Teljesítmény

•

Részletes szivattyú leírás különféle jelleggörbékkel

„Pipe” Ez a blokk egy cs szakasz leképezésére alkalmas. Specifikálni lehet benne a cs

átmér jét, hosszát, a két vége közötti szintkülönbséget, érdességet

szerelvényeket. Az egység kiszámolja a kilép áram nyomásváltozását. „Flash2” Ez a blokk egy tartály leképezésére alkalmas. Specifikálni lehet az egységbe befektetett energiát és a nyomást, h mérsékletet, g zhányadot. A szabadsági fok terhére a változók közül csak kett rögzíthet tetsz leges kombinációban. Dinamikus szimulációba alkalmazva meg kell adni az átmér jét és a magasságát is.

19

Stacioner vizsgálat

3. A stacioner állapotok vizsgálatoka A stacioner vizsgálatok során létrehoztam az osztott ter rektifikáló kolonna modelljét flowsheeting szimulátorban, s e modell által vizsgáltam a rendszer különböz konstrukcióit, és különböz munkapontjait. A stacioner vizsgálatokat Aspen Plus programban végezem. A rendszert egy háromkomponens

elegy

szétválasztása kapcsán vizsgáltam, melynek a komponensei benzol, toluol és o - xilol. A vizsgálatok során Peng-Robinson állapotegyenletet használtam termodinamikai tulajdonságok számítására. 3.1. Az elválasztási feladat meghatározása Mintarendszerként a benzol, toluol, o-xilol elegyet választottam, mely vegyületek normálforráspontját a 3. Táblázat tartalmazza. A feldolgozandó elegy tömegárama 90 kg/h. Az látható, hogy a komponensek forráspontjai jelent sen eltérnek

egymástól,

így

atmoszférikus

körülmények

között

teljesen

szétválaszthatók, mivel nem képeznek azeotróp elegyet. A rektifikálás során cél 99 m/m% tisztaság elérése mindegyik terméknél. 3. Táblázat Az elegyet alkotó komponensek forráspontjai Komponens forráspont °C benzol

80,1

toluol

112,1

o - xilol

144,4

3.2. A kolonna leképezése stacioner szimulátorban Az Aspen Plus szoftver nem tartalmaz olyan blokkot, amivel leképezhet az osztott rendszer, így több blokk összekapcsolásával oldható meg a feladat. A vizsgálataim során az osztott ter rendszer tányérszáma 25. Ezt úgy határoztam meg, hogy létrehoztam az elválasztási feladat megoldására alkalmas oldalelvételes kolonnát, és ezzel a konstrukcióval megegyez tányérszámot választottam.

20


3.2.1. Az osztott ter kolonna dekomponálása Az osztófalas kolonnát négy különböz

részre lehet bontani, az osztófal

feletti, az osztófal alatti és a fal két oldalán lév oszloprészre. Vizsgálataim során a részek kétféle csoportosításával modelleztem a rendszert. Az els változatban a részeket külön blokkokkal számítottam, így a „fels rész” kondenzátorral ellátott oszlop, és a reflux beállítása itt történik, az „alsó rész” a kiforralást végzi. A két másik egység az osztófal két oldalát képezi le, itt történik a betáplálás „betáplálási részbe” és az oldalelvét kivezetése „elvételi részb l”, ezek az egységek nem tartalmaznak sem kiforralót sem kondenzátort. A második változatban rendszert két blokkal képeztem le, így „f kolonna” egy kondenzátorral és visszaforralóval ellátott egység. Itt történik a reflux és a kiforralás beállítása, ez az egység foglalja magába a fels az alsó és a betáplálási részt. A „mellékkolonna” nem tartalmaz se, kiforralót és kondenzátort, ez a rész felel meg az elvételi résznek.

(a)

(b)

14. ábra (a): A rendszer leképezése négy blokkal (b): A rendszer leképezése két blokkal

21


A stacioner szimulációnál a négy oszlopos megközelítést alkalmaztam, mert az oszlop folyadék- és g záram elosztása a betáplálási rész és az elvételi rész között egyszer en megoldható egy külön blokkal, és így biztosítani tudtam a megegyez nyomásesést a két oldalon. A dinamikus szimuláció során a nyomás viszonyoknak megfelel en alakul a g z és a folyadék eloszlása, így itt a két oszlopos rendszert alkalmaztam. Ennek a rendszernek nagy el nye, hogy kevesebb blokkból épül fel, mint a négyoszlopos megközelítés, úgy tapasztaltam a szimuláció során a számítási id így kisebb. 3.2.2. Az osztott ter kolonna stacioner modellje A stacioner modellt Aspen Plus flowsheeting szimulátorban hoztam létre. A leképezés során a négy oszlopos megközelítést alkalmaztam, így négy részletes kolonna számító blokkból és két áramosztó blokkból építettem fel a rendszert. A vizsgálatok során az oszlopok részek tányérszámát konstrukciónként változtattam úgy, hogy az összes tányér szám megegyezzen az oldalelvételes kolonna tányérszámával. Az elvételi és betáplálási oldalak egyensúlyiegységszámát minden esetben megegyez nek vettem, a két oldal keresztmetszetének összege minden esetben megegyezik a fels és alsó részek keresztmetszetével. Az elvétel és a betáplálás helyét a 13-as tányérra határoztam meg, mert ez az oszlop közepe. A stacioner szimulációban az oszlopok keresztmetszetének nincs jelent sége, viszont a „RadFrac” modul ebb l számítja a nyomásesést, így itt kiemelt szerepe volt, ugyanis arra törekedtem, hogy a kolonna a reális nyomásviszonyoknak megfeleljen, így az oszlop minden tányérján a nyomásesés azonos. A betáplálási és az elvételi rész között h átadást is számoltam. Ezt az Aspen Plus szoftver „Calculator” funkciójával képeztem le. Ennek az opciónak a lényege, hogy az egységek változóinak aktuális értékét Excel-be viszi át, majd a táblázatban végzett számítások eredményeit visszaírja a szimulátor megfelel változójába. Én a betáplálási és az elvételi rész h mérséklet profiljainak értékeit exportáltam Excel-be, ott hajtóer t számoltam majd ebb l a falon átadott h mennyiségét becsültem. Ezt az energia mennyiséget a tányérokra bevitt f tésnek illetve h tésnek feleltettem meg. Az vizsgálatokban a h átadás és felület szorzatát 250 W/K–nek vettem. Ez a szakirodalom által megadott h átadási tartomány [10]

22


(ami az acélfalakra vonatkozik szerves komponensek esetén) középértékéb l, és egy becsült felület értékb l adódik.

15. ábra A stacioner modell struktúrája

Fels rész „RadFrac” modullal szimuláltam ezt az oszloprészt. Ez a kolonna képezi le az osztófal feletti tányérokat és készülékeket. Ez a rész egy kondenzátorral ellátott kolonna, melynek nincs kiforralója, ebben a részben állítom be az osztott rendszer refluxarányát, és itt veszem el a párlatot. A vizsgálatok során a „RadFrac” blokkba beépített „DesingSpec” opcióval biztosítottam, hogy a fejtermék min sége az elválasztási célnak megfelel legyen. Alsó rész

23


„RadFrac” modullal szimuláltam ezt az oszloprészt. Ez a kolonna képezi le az osztófal alatti tányérokat és készülékeket. Ez a rész egy kiforralóval ellátott kolonna, melynek nincs kondenzátora, ebbe a részben állítom be az osztott rendszer kiforralását, és itt veszem el a maradékot. A vizsgálatok során a kiforraló h igényét manuálisan változtattam és így állítottam be a maradék min ségét. Betáplálási rész „RadFrac” modullal szimuláltam ezt az oszloprészt. Ez a kolonna képezi le az el frakcionáló részt, nem tartalmaz se, kiforralót se kondenzátort, itt táplálom be a szétválasztandó elegyet. Elvételi rész „RadFrac” modullal szimuláltam ezt az oszloprészt. Ez a kolonna képezi le az elvételi részt, nem tartalmaz se, kiforralót se kondenzátort, itt állítom be az oldaltermék mennyiségét. Folyadékosztó, G zosztó A vizsgálatok során arra törekedtem, hogy az elvételi és a betáplálási rész nyomásesése megegyezzen, ezért a kolonnában lefolyó reflux mennyiségét és a felfelé áramló g zt az osztott részbe lépve, az oszlopok felületarányaival megegyez arányban osztottam. A folyadékosztó és a g zosztó ezt az arányt állítja be, leképezésükre „FSplit” egységet használtam. A g zosztó a valós rendszerekben nem létezik, ezt az arányt a nyomásviszonyok állítják be a valós rendszerbe. Cs modellek (CS1, CS2, CS3, CS4) A nyomásh modell érdekében biztosítanom kellett a felülr l lefelé áramló folyadék hajtóerejét a blokkok között, ezt cs

modellek („Pipe” blokk)

beiktatásával oldottam meg. 3.3. A stacioner vizsgálatok eredménye

24


A stacioner vizsgálatok során tanulmányoztam az osztott ter különböz

konstrukcióinak

energiaszükségletét,

energiaigényének változását különböz

összetétel

valamint

a

kolonna

konstrukciók

szétválasztandó elegyekre.

Ezen elemzések során olyan paramétereit vizsgáltam az osztott ter kolonnának, mely az adott rendszerre jellemz ek. 3.3.1. A falmagasság hatása Megvizsgáltam, hogy különböz

falmagasságok esetén, hogyan alakul a

kolonna kiforralójának energiaigénye. A oszlop állandó paraméterei: •

Tányérszám: 25

•

Betáplálási tányér: 13

•

Elvételi tányér: 13

•

A betáplálási és elvételi oldal keresztmetszete megegyezik.

A vizsgálatok során centrális helyzet falakat vizsgáltam, ez azt jelenti, hogy a betáplálási és elvételi tányérok fölött és alatt ugyan annyi egyensúlyi egység van ketté osztva, így csak páratlan számú lehet ségeket vizsgáltam.

60 55

Qreb.(kW)

50 45 40 35 30 25 20 5

6

7

8

9

10

11

12

13

Tányér

16. ábra A falméret hatása a kiforraló energiaszükségletére

25


Az els vizsgálat során a BTX elegy komponensei azonos koncentrációjúak, eredményét a 16. ábra mutatja be. Az eredményekb l látszik, hogy a kilenc tányér magasságú fallal ellátott kolonna a legjobb energetikailag az ötödik 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, így a fal nem akadályozza meg a betáplálási és az elvételi áramok keveredését. Növelve a fal magasságát, csökken energiaigényt kapunk.

Az

energiaigénynek

van

egy

minimuma,

esetünkben

9

tányérmagasságnál, ami után növelve a fal magasságát ismét n az energia igény. Ez magyarázható azzal, hogy a növekv osztott rész miatt a fels és az alsó rész mérete lecsökkent, így ott a komponensek szétválasztásához nagyobb reflux és kiforralási arány szükséges. A második kísérlet sorozatban a szétválasztandó elegy koncentrácó hatását vizsgáltam. A betáplált oldatok tömegtörtjeit a 4. Táblázat a vizsgálat eredményeit a 17. ábra tartalmazza. 4. Táblázat A szétválasztandó oldat tömegtörtjei Oldat:

A

B

C

D

Benzol

0,4

0,3

0,3

0,33

Toluol

0,3

0,4

0,3

0,33

Xilol

0,3

0,3

0,4

0,33

Az eredményekb l látható, hogy minden elegynél az energiaszükséglet-görbe alakja hasonló és mindegyik minimuma a 9 tányérmagasságú falnál van. A kolonna konstrukciók energia igénye akkor a legkisebb, ha az egyenl tömegtörttel rendelkez oldatot választottam szét. Legnagyobb energia igénye a rendszereknek akkor van, ha az elegyben a toluol van túlsúlyban. Ez azzal magyarázható, hogy a fels és alsó részbe nagyobb lesz a toluol koncentráció, így több energiát kell befektetni a kolonna alján és tetején a megfelel terméktisztaság elérésének érdekében. Az „A” és „C” elegy esetén az energia igények

26


megegyeznek. Ha a szétválasztandó oldatban a benzol van túlsúlyban, akkor a rendszerekben több energiát kell a kiforralókba bevinni a kell terméktisztaság elérése érdekében, mivel az oszlop aljáról több benzolt kell elg zölögtetni. Ha az oldatban a xilol koncentráció a legnagyobb akkor nagyobb refluxot kell biztosítani a rendszerekben és ez a kiforralók energiaigényét is megnöveli. A két oldat esetén az energiaigények azért egyeznek, mert a benzol és a xilol párolgásh je közel azonos.

Qreb.(kW)

100 90

A B

80

C D

70 60 50 40 30 20 5

7

9

11

13

Tányérszám

17. ábra Az osztott ter konstrukciók energia igénye különböz összetétel oldatokra a falmagasság vizsgálatok során

3.3.2. A függ leges pozíció hatása Tanulmányoztam a 9 tányér magasságú fal függ leges helyzetének hatását a kiforraló energia igényére. A fal helyzetét úgy változtattam, hogy a fal két oldalán lév rész tányérszámát állandónak vettem, lefele mozgatás esetén az alsó rész tányérszámát ugyan annyival csökkentettem, mint amennyivel növeltem a fels rész tányérszámát. Az elvételi és a betáplálási rész keresztmetszete a vizsgálat alatt megegyezett. A oszlop nem változtatott paraméterei: •

Tányérszám: 25

27


•


•


•

A betáplálási és elvételi oldal keresztmetszete megegyezik

Az els vizsgálat eredményeit, amit egyenl tömegarányú elegyre végeztem a 18. ábra mutatja be, a centrális elhelyezés falat az abszcisszán „0” értékkel jelöltem, az ehhez képest lentebb elhelyezked falat negatív el jellel jelöltem. A vizsgálatból látszik, hogy akkor a legkisebb a kolonna energiaigénye, ha a falat az oszlop közepén helyezzük el. Az aszimmetriával az energiaigény n . Az energia minimum helye magyarázható azzal, hogy a szétválasztandó komponensek tömegárama megegyezik. A centrálistól lentebb helyezked

fal pozíciójú

konstrukciók energiaigénye nagyobb, mint a velük azonos helyzet , de a centrálistól magasabban lév

fallal ellátott konstrukciók energiaigénye. Ez

magyarázható azzal, hogy a betáplált keverék toluol mennyiségének nagyobb hányada a fal alatt jut az elvételi részbe az alsó részen keresztül. Ha a falat alacsonyabb pozícióba juttatjuk azzal az alsó rész tányérszámát csökkentjük, így nagyobb energia kell a kívánt termékmin ség eléréséhez. 60 55 50

Qreb.(kW)

45 40 35 30 25 20 -3

-2

-1

0

1

2

3

Tányér

18. ábra A fal függ leges helyzetének hatása a kiforraló energiaigényére

28


Megvizsgáltam az energiaigény alakulását az egyes konstrukcióknak abban az esetben, ha különböz összetétel oldatot tápláltam a kolonnába. A betáplált oldatok tömegtörtjeit a 4. Táblázat (3.3.1-es fejezetben) a vizsgálat eredményit a 19. ábra tartalmazza. 120

A B

Qreb.(kW)

100

C D

80 60 40 20 0 -3

-2

-1

0

1

2

3

Tányér

19. ábra Az osztott ter konstrukciók energia igénye különböz összetétel oldatokra a függ leges elhelyezkedés vizsgálatok során Az eredményekb l látható, hogy minden elegynél az energiaszükséglet-görbe alakja hasonló. A „B” oldat esetén a konstrukciók a „+1” pozíciónál van, ez azzal magyarázható, hogy ebben az oldatban a toluol koncentráció a legnagyobb. Mivel ez a komponens nagy része az alsó részen keresztül megy át az elvételi részbe, ezért el nyösebb a nagyobb tányérszám ebben az oszloprészben. Az „A, C, D” esetben az energia minimum a centrális helyzetnél van. Ebben az esetben is a kolonna konstrukciók energia igénye akkor a legkisebb, ha az egyenl tömegtörttel rendelkez oldatot válaszuk szét. 3.3.3. A keresztmetszetarány hatása Az els

lépésben megvizsgáltam egyenl

tömegarányú elegynél a fal

sugárirányú elmozdításával hogyan változik a kolonna energia igénye. A fal ebben az esetben kilenc tányérmagasságú és függ legesen középhelyzet . Az

29


osztott térbe belép áramok (a fels részb l lefolyó folyadék és az alsó részb l felszálló g z) arányai úgy állnak be, hogy azok megegyezzenek az osztott rész keresztmetszeteinek arányával, így a két oszloprészben a nyomásesések megegyeznek Az eredmények a 20. ábra láthatók. Látható, hogy ha az elvételi oldal keresztmetszete 50%-os akkor kell a legkevesebb az energia igénye. Megfigyelhet , hogy 10%-50% között az energiaigény gyorsabban növekszik mint 50%-90% köszött. A keresztmetszet arány meghatározza, hogy a fels és az alsó részb l kilép g z és folyadék milyen arányban oszlik meg a középs rész két oldala között. Minél több egy oszloprészbe alulról belép

g z és felülr l belép

folyadék

mennyisége annál élesebb az elválasztás. A betáplálási oldalon benzol és a xilol elválasztása történik, a két komponens forráspontja távol esik egymástól, így könnyen elválaszthatók egymástól, ezért kevesebb g z és folyadék szükséges a frakcionáláshoz, mint az elvételi oldalon. Ha az elvételi részt lecsökkentjük akkor kevesebb reflux és kiforralás esik az oszlop e részére, mivel itt nehezebb az elválasztási feladat így érzékenyebb lesz a keresztmetszet csökkentésére mint a betáplálási rész. 65 60 55

Qreb.(kW)

50 45 40 35 30 25 20 10

20

30

40

50

60

70

80

90

Elvételi rész/Teljes keresztmetszet (%)

20. ábra A keresztmetszetarány hatása a kiforraló energiaigényére

30


A második vizsgálat során megvizsgáltam az energia igényét az egyes konstrukcióknak abban az esetben, ha különböz összetétel oldatot tápláltam a kolonnába. A betáplált oldatok tömegtörtjeit a 4. Táblázat a vizsgálat eredményit a 21. ábra tartalmazza. Az

eredményekb l

látszik,

hogy

a

görbék

alakja

hasonló.

Az

energiaminimumok helyét a 5. Táblázat tartalmazza, látható a „B” elegy energia minimumához rendelhet a legnagyobb elvételi rész, ez azért van mert ebben a keverékben a legmagasabb a toluol koncentráció. Az „A” és „C” elegy görbéje 50%-os pontig megegyezik, ezután a benzolban dús „A” anyaghoz tartozó energiaszükségletek nagyobbak, ez azért van, mert több g z kell a benzol kihajtásához. 5. Táblázat Energiaminimumok helyei Elegy megnevezése

Energiaminimum helye (%)

A

50

B

65

C

60

D

50

120

A B

110 100

C

Qreb.(kW)

90

D

80 70 60 50 40 30 20 10

20

30

40

50

60

70

80

90

Elvételi rész/Teljes keresztmetszet (% )

21. ábra Az osztott ter konstrukciók energia igénye különböz összetétel oldatokra

31


3.3.4. A h átadás hatása Az el z vizsgálatokban a h átadási tényez és a felület szorzatát 250 W/K– nak vettem. Ebben a vizsgálatban tanulmányoztam, a h átadási együttható változtatásával hogyan változik az osztott ter kolonna energiaigénye. A h átadási tényez és a felület szorzatának értékét 0 W/K-tól 2000 W/K értékig változtattam. Az eredményekb l látszik hogy e paraméter változása nem befolyásolja szignifikánsan a kiforraló energiaigényét, mivel az egyes h szükségletek eltérése a hibahatáron belül volt. Ez azzal magyarázható, hogy a falon átadott energia nagyságrendekkel kisebb volt a kiforraló energia igényénél, így a kolonna belsejében mozgó energiamennyiségek is sokkal nagyobbak annál, hogy az átadott h nek meghatározó szerepe legyen. E vizsgálat eredményeit látva, a dinamikus szimuláció létrehozása során a h átadást nem vettem figyelembe.

3.3.5. Az osztott ter kolonna energia kihasználása Ezen

vizsgálat

során

az

osztott

ter

rendszer

energiaszükségletét

összehasonlítottam egy vele azonos tányérszámú oldalelvétele kolonna energia igényével, változó betáplálási mennyiség mellett. Az oldalelvételes kolonna adatai: •

Tányérszám: 25

•


•


Az oldalelvételes kolonna adatai: •

Tányérszám: 25

•


•


•

A betáplálási és elvételi oldal keresztmetszete megegyezik

32


A vizsgálatok eredményeit a 22. ábra mutatja be. Látható, hogy mind a két rendszer energiaigénye lineárisan változik a betáplált anyag mennyiségével, ez várható, hiszen a modellek egyensúlyi tányérokkal számolnak. Az oldalelvételes kolonna energiaigénye hatszorosa az osztott rendszer h igényéhez képest. Ez a különbség igen jelent s, de nem lehet általánosítani, hiszen az oldalelvételes kolonna tervezésénél nem végeztem vizsgálatokat a tányérszám optimális értékére, csak arra törekedtem, hogy az elválasztási feladatot. Nagyobb tányérszámú kolonnák esetén valószín leg a két konstrukció energiaszükséglete kevésbé térne el egymástól.

700 Osztott ter kolonna

600

Oldalelvételes kolonna

Qreb.(kW)

500 400 300 200 100 0 50

100

150

200

250

300

kg/h

22. ábra Az osztott ter kolonna energia kihasználása

3.4. A stacioner vizsgálatok eredményeinek összefoglalása A stacioner vizsgálatok során olyan paraméterek változtatása mellett alkottam meg az egyes konstrukciókat melyek csak az osztott ter kolonnása jellemz ek. Az elemzések során arra voltam kíváncsi, hogy a konstrukciók közül melyeknél van széls értéke energiafelhasználásnak, és hogy a betáplált oldat összetételének megváltoztatása milyen hatással van e széls értékre.

33


A vizsgálatok eredményeib l meghatároztam egy adott szétválasztási feladathoz tartozó minimális energiafelhasználást igényl paraméterkombinációt, és ez alapján alkottam meg a dinamikus szimulációmat. Így a dinamikus modellemben centrális helyzet , kilenc tányérmagasságú falat alkalmaztam és az elvételi és betáplálási részek keresztmetszetét egyenl nek vettem. Az osztott ter

kolonna energiaforgalmát összevetettem egy azonos

tányérszámú oldalelvételes kolonna energiaigényével, melyb l kiderült, hogy az adott szétválasztási feladatot az osztott rendszer kisebb energia felhasználással képes megoldani.

34

Dinamikus vizsgálat

4. A Dinamikus állapotok vizsgálata A dinamikus vizsgálatok során létrehoztam az osztott ter rektifikáló kolonna modelljét dinamikus szimulátorban, s e modell által vizsgáltam a rendszer viselkedését. A dinamikus vizsgálatokat Aspen Dynamics programban végezem. A rendszert a stacioner vizsgálatoknál definiált elválasztási feladat megoldása kapcsán vizsgáltam, és ugyanazt a termodinamikai módszert alkalmaztam. A rendszert úgy alkottam meg, hogy az tartalmazza a megfelel hidrodinamikai összefüggéseket és ezáltal a valós nyomásviszonyoknak megfelel en viselkedjen. Az osztott ter kolonna modellalkotása során az el z részben meghatározott paraméter kombinációt alkalmaztam. Így a modell paraméterei a következ k: •

Tányérszám: 25

•


•


•

Osztófal magassága: 9

•

Osztófal helyzete: centrális

•

A betáplálási és elvételi oldal keresztmetszet megegyezik

•

Az osztófal tökéletesen szigetel

4.1. Az osztott ter kolonna leképezése dinamikus szimulátorban Az Aspen Dynamics az Aspen Plus szimultorban lév modulok dinamikus változatait tartalmazza. Els lépésben az Aspen Plus programban leképeztem a kolonna modelljét, majd azt a beépített módszer szerint átkonvertáltam a dinamikus szoftverbe. Azért választottam ezt az utat, mert így az inicializálási értékeket a program a stacioner szimulációból automatikusan átveszi, amiket manuálisan megadni igen bonyolult feladat. 4.1.1. A dinamikus modell A rendszer leképezése során a kétblokkos (14. ábra (b)) megközelítést választottam. A rendszer létrehozása során megpróbáltam minél részletesebb modellt alkotni, ezért nem alkalmaztam a „RadFrac” blokkba épített kiforralót, 35


kondenzátort és reflux tartályt, hanem külön egységekként definiáltam azokat. A dinamikus modell megalkotásánál a nyomásviszonyok beállítása miatt ki kellett egészíteni a struktúrát szelepekkel. A dinamikus modell struktúráját a 23. ábra mutatja be.

$%# $%&

$%"

$%'

$%(

! "

$%)

$%* $%"&

$%"'

$%, $%+

$%""

! #

$

/ .%

$%"-

$%"#

23. ábra A dinamikus modell struktúrája

F kolonna 36


„RadFrac” modullal számítottam ezt az oszloprészt. Ez a kolonna képezi le a fels , alsó és a betáplálási részt. Ez az egység nem tartalmaz kiforralót se kondenzátort. Az Aspen Plus és Aspen Dynamics programok részletes kolonna számító blokkjában lehetséges különböz méret tányérokat megadni az oszlopon belül. Így a betáplálási rész keresztmetszetét a paramétereknek megfelel en be tudtam állítani. Az elvételi kolonnába vezetett áramokat ebb l az egységb l veszem el oldaltermékként, valamint az ebbe a részbe vezetem vissza az elvételi rész fenék és fejtermékét. Elvételi kolonna „RadFrac” modullal számítottam ezt az oszloprészt. Ez a kolonna képezi le az elvételi részt, nem tartalmaz se, kiforralót se kondenzátort, itt veszem el az oldalterméket. Kondenzátor Ezt a részt „HeatX” blokkal képeztem le. Ebbe az egységbe melegáramként a kolonna fejterméke lép be, ami teljesen lekondenzálódik. Hidegáramként 20°C-os vizet használtam. Az egység h átadó felülete 1,4 m2. H átadási tényez je 850 W/m2·K Reflux tartály Ezt a tartályt „Flash2” blokkal képeztem le. Ez az egység 1,05 bar nyomáson üzemel, 1 m magas 0,7 m átmér j és függ leges helyzet tartály. Reflux szivattyú Ezt az egységet „Pump” blokkal képeztem le. A szivattyú bemen energiája 1 kW. Cs szakaszok (CS1, CS2)

37


A nyomásh modell érdekében biztosítanom kellett a felülr l lefelé áramló folyadék hajtóerejét a blokkok között, ezt cs

modellek („Pipe” blokk)

alkalmazásával oldottam meg. Visszaforraló Az egységet „Flash2” blokk alkalmazásával képeztem le. Azért választottam mert így a g z recirkuláltatásához nem kell külön egység, hátránya viszont, hogy nem tudtam g zt alkalmazni a f tésre. A visszaforralóba és a kolonna fenékben a folyadékszint azonos, mert szabadátfolyást biztosítottam a két egység között. Szelepek Az

egységek

leképezésére

„Valve”

blokkot

használtam,

lineáris

szelepkarakterisztikával. 4.1.2. A szabályozó körök A dinamikus szimuláció során a kolonna változóit PI szabályzókkal tartottam a megfelel értéken. A kolonna szabályozási köreit a 24. ábra mutatja be. •

A betáplálási áram mennyiségét a V-13-as szeleppel szabályoztam

•

Az oldaltermék mennyiségét a V-14-es szeleppel szabályoztam

•

A reflux áram mennyiségét a V-5-ös szeleppel szabályoztam

•

A kondenzátorból kilép

fejtermék h mérsékletét a h t vízszelep

(V-3) állításával szabályoztam •

A reflux tartály szintjét a párlat mennyiségét beállító szelep (V-4) állításával szabályoztam

•

A kolonna fenék szintjét a maradék mennyiségét állító szeleppel (V-12) szabályoztam

•

A kolonna 21-es számú tányérjának a h mérsékletét mértem és a kiforralóba bevitt energiával szabályoztam

38


$%#

$%& $%" 0

0

$%'

$%( ! "

$%) $%* $%"&

$%"'

$%,

! #

$%+ 0

$%"" 0

$%"-

.%

$%"#

24. ábra Az osztott ter kolonna szabályozási körei

4.1.3. A szabályzók hangolása A szabályzók hangolása során kétfajta módszert választottam, az integráló rendszerekhez Ziegler – Nichols nyitott köri mérésen alapuló módszerével állítottam a paramétereket, a többi esetben az Aspen Plus beépített egységét használtam hangolásra.

39


A beépített blokk használatakor az els

lépésben nyitott köri vizsgálatot

végeztem, mely során a beavatkozó jelet egységugrás (step)-függvény szer en változtattam és figyeltem a szabályozandó jellemz

változását, az adatokból

els rend holtid s bement kiment modellt (BKM) illesztettem a rendszerre. A második lépésben BKM er sítési tényez jéb l, id állandójából és holtidejéb l ITEA módszer alkalmazásával számítottam ki a PI szabályozók arányos (P) és integráló (I) tagját. Az integráló rendszerek esetén is nyitott köri vizsgálattal kezdtem a meghatározást, de az elemzés eredményeit grafikusan értékeltem ki. A szabályzó hangolás eredményeit a 6. Táblázat mutatja be. A tömegáramok szabályzójának hangolását nem mutatom be, hisz ezek kis holtid vel és kis id állandóval rendszerek, így szabályzásuk egyszer . 6. Táblázat A szabályozó körök paraméterei K

Tau(min)

Th(min)

refluxtartály szintszabályzó kondenzátor h mérsékletszabályozó reflux áram mennyiség szabályozó oldalelvétel mennyiség szabályozó betáplálás mennyiség szabályozó 22-es tányér h mérséklet szabályozása viaszforraló szintszabályozó

P

I

154

0.2

-4.10

0.13

0.06

0.44

0.11

1.17

0.095

0.06

10.92

0.02

0.82

0.093

0.012

7.7

0.03

0.99

0.09

0.006

12.54

0.02

0,182

12,9

0.05

510,5

12,5

268

0,2

40


A grafikus identifikálást a refluxtartály 25. ábra és a kolonna fenék 26. ábra szabályzása kapcsán mutatom be. A vizsgálat során a szelepállást 5%-al megemeltem ugrásszer en és figyeltem a szint változását. A folyadékszint csökkenését ábrázoltam és egyenest illesztettem az adatokra, ennek a meredekségét használtam a további számításokhoz. A holtid t az adatsorból olvastam le. Ez a módszer azért jó, mert közvetlenül a nyitott köri vizsgálatok során szabályzó paramétereket kapunk. A PI szabályozó paramétereit a következ képen számoltam ki: S* = P=

S A

1 TH ⋅ S *

I = 3,33 ⋅ TH S: az egyenes meredeksége A: a beavatkozó jel változása TH: holtid P: PI szabályzó parciális paramétere I: PI szabályozó integrális paramétere

0.505

51 50

0.5

m

48

%

49

Szint (m) Szelepállásl (%)

0.495

0.49 47 0.485

46

y = -0.0488x + 0.5042 0.48 0.08

45 0.13

0.18

0.23

0.28

0.33

0.38

0.43

Id (h)

25. ábra Reflux tartály identifikálása

41


0.485

71

0.48

70

Szint (m) Szelepállás (%)

0.475

69

m

68

%

0.47 0.465 67

0.46

y = -0.0781x + 0.5001 R2 = 0.9999

0.455 0.45 0.258

66 65

0.308

0.358

0.408

0.458

0.508

0.558

Id (h)

26. ábra Kolonna fenék identifikálása

81

19.6

80

19.5

79

Kondenzátum h m. (°C)

19.4

78

Szelepállás (%)

19.3 %

°C

A nem integráló rendszerek identifikálását a 27. ábra és a 28. ábra mutatja be.

77

19.2

76

19.1

75

19

74 0.05

18.9 0.07

0.09

0.11

0.13

0.15

Id (h) 27. ábra Kondenzátor identifikálása

42


147.5

30

147

29.5 29 28.5

°C

146 145.5

28

145 144.5

22-es tányér h m. (°C)

27.5

Kiforraló teljesítménye (kW)

27

144

kW

146.5

26.5 0

0.2

0.4

0.6

0.8

28. ábra Kolonna h mérséklet identifikálása

4.1.4. Szabályzókörök vizsgálata A számított értékeket felhasználva megvizsgáltam hogyan viselkedik a rendszer alapjelváltásokra. A reflux tartály szintszabályozása.

43

0.53

60

0.525

50

0.52

40

0.515

30 Szint (m) Alapjel (m) Szelepállás (%)

0.51 0.505 0.5 0.25

%

m


20 10 0

0.35

0.45

0.55 0.65 Id (h)

0.75

0.85

29. ábra A refluxtartály szintszabályozójának vizsgálata Az alapjelet 0,5 méterr l 0,52 méterre állítottam. Látható, hogy a szabályzó kis túllendüléssel beállította a szintet 30 perc alatt. A paramétereket megfelel nek találtam. Kondenzátor h mérséklet szabályozása

44


80.5

19.8 19.75

80

H mérséklet (°C) Alapjel (°C) Szelepállás (%)

T (°C)

79.5

19.7 19.65 19.6

79

19.55

78.5

19.5 19.45

78

19.4

77.5

19.35 0.2

0.25

0.3

0.35

Id (h) 30. ábra A kondenzátor h mérsékletszabályozójának vizsgálata Az alapjelet 80°C-ról 78°C-ra csökkentettem. Látható, hogy a szabályzó kis túllendüléssel beállította a nyomást 6 perc alatt. A paramétereket megfelel nek találtam.

A kolonnfenék szintszabályzása

70

0.53

60

0.525

50

0.52

40

0.515

30

m

%

0.535

0.51

Szint (m) Alapjel (m) Szelepállás (%)

0.505 0.5 0.53

0.63

0.73

0.83

0.93

1.03 Id (h)

1.13

1.23

1.33

1.43

20 10 0 1.53

45


31. ábra A kolonnafenék szintszabályozójának vizsgálata Az alapjelet 0,5 méterr l 0,52 méterre állítottam. Látható, hogy a szabályzó kis túllendüléssel beállította a szintet 60 perc alatt. A paramétereket megfelel nek találtam. A kolonna aljának h mérséklet szabályozása

A

h mérsékletérzékel t a

22-es tányéron helyeztem el,

mivel

a

h mérsékletprofil meredekségét itt találtam megfelel nek (32. ábra). Ha a mérési pontot lentebb helyezem el, akkor kis beavatkozó jel hatására nagy h mérsékletváltozás történne, így a rendszer túl érzékeny lenne. Ha az érzékel t fentebb helyeszem el, akkor viszont túl kicsi lenne a változás.

160 150

F kolonna höm. Prof. (°C)

140

Mellékkolonna höm. Prof. (°C)

°C

130 120 110 100 90 80 0

5

10

15

20

25

Tányér 32. ábra A kolonna h mérséklet profilja

46


145.1

35

145

30 25

144.8

22-es tányér h m. (°C)

144.7

Alapjel (°C)

144.6

Kiforraló teljesítménye (kW)

20

kW

°C

144.9

15 10

144.5 144.4

5

144.3

0 0

0.5

1

1.5

2

Id (h) 33. ábra A kolonna aljának h mérsékletszabályzásának vizsgálata

4.1.5. A kolonna viselkedése zavarás hatására Ezekben a vizsgálatokban tanulmányoztam a rendszer viselkedését, ha a rendszerbe betáplált áram mennyiségét és az összetételét változtatom. A rendszeremet mindig azonos munkapontról mozdítottam el, ennek az adatait a 7. Táblázat tartalmazza. F bb stacioner értékek: Betáplált anyag mennyisége: 90 kg/h Betáplált elegy típusa: D (4. Táblázat) A kiforraló h igénye 27 kW A refluxáram nagysága 224,5 kg/h A 22-es tányér h mérséklete: 144,38°C 7. Táblázat Az alap stacioner pont termékeinek adatai Párlat

Oldal termék

Maradék

47


Termék tisztaság (m/m)

0.99

0.93

0.99

Termék mennyiség (kg/h)

29.9

31.77

28.3

Betáplálás mennyiségének változása

37 35

kg/h

33 31 Párlat mennyisége

29

Oldaltermék mennyisége

27

Maradék mennyisége

25 0

2

4

6

8

10

Id (h) 34. ábra Betáplálás mennyiségének hatása a termékek mennyiségére

48


1 0.99 0.98

kg/kg

0.97 0.96

Párlat benzol konc.

0.95

Oldaltermék toluol konc.

0.94

Maradék xilol konc.

0.93 0.92 0.91 0

2

4

6

8

10

Id (h) 35. ábra Betáplálás mennyiségének hatása a termék min ségre Az új stacioner pont adatai: Betáplált anyag mennyisége: 100 kg/h Betáplált elegy típusa: D (4. Táblázat) A kiforraló h igénye 27,34 kW A refluxáram nagysága 224,5 kg/h A 22-es tányér h mérséklete: 144,38°C 8. Táblázat Az alap stacioner pont termékeinek adatai Párlat

Oldal termék

Maradék


0.985

0.921

0.99


33,53

35,3

31,78

Az eredményekb l látszik, hogy az oldalelvétel mennyiségét arányosan határoztam meg a betáplált mennyiségével. A kilép

áramok mennyisége és

tisztasága 8 óra elteltével beáll egy stacioner értékre. Látható, hogy a maradék

49


koncentrációja nem változik, ez a kolonna aljának h mérsékletszabályozása miatt van. A benzol koncentrációjának változása 37 35 Párlat mennyisége

kg/h

33


31


29 27 25 0

2

4

6

8

10

Id (h)

36. ábra Benzol koncentrációjának hatása a termékek mennyiségére

1 0.99 Párlat benzol konc.

0.98


kg/kg

0.97


0.96 0.95 0.94 0.93 0.92 0

2

4

6

8

10

Id (h) 37. ábra Benzol koncentrációjának hatása a termék min ségre

50


Az új stacioner pont adatai: Betáplált anyag mennyisége: 90 kg/h Betáplált elegy típusa: A (4. Táblázat) A kiforraló h igénye 27,64 kW A refluxáram nagysága 224,5 kg/h A 22-es tányér h mérséklete: 144,38°C 9. Táblázat Az alap stacioner pont termékeinek adatai Párlat

Oldal termék

Maradék


0.989

0.93

0.99


35,74

28,6

26,66

Az eredményekb l látszik, hogy az el z vizsgálathoz hasonlóan viselkedik a maradék koncentrációja és az oldaltermék mennyisége. A párlat min sége jelent sen megn a másik két termékhez képest, és a min sége kis mértékben esik vissza, ez egyértelm en a betáplálás benzol koncentrációja miatt van. A toluol koncentrációjának változása 40 38 36

Párlat mennyisége

34


kg/h

32


30 28 26 24 22 20 0

2

4

6

8

10

Id (h)

38. ábra Toluol koncentrációjának hatása a termékek mennyiségére 51


1 0.99 Párlat benzol konc.

0.98


kg/kg

0.97


0.96 0.95 0.94 0.93 0.92 0

2

4

6

8

10

Id (h) 39. ábra Benzol koncentrációjának hatása a termék min ségre Az új stacioner pont adatai: Betáplált anyag mennyisége: 90 kg/h Betáplált elegy típusa: B (4. Táblázat) A kiforraló h igénye 26,61 kW A refluxáram nagysága 224,5 kg/h A 22-es tányér h mérséklete: 144,38°C 10. Táblázat Az alap stacioner pont termékeinek adatai Párlat

Oldal termék

Maradék


0.992

0.93

0.99


26,86

38,1

25,0

Az eredményekb l látszik, hogy az el z vizsgálathoz hasonlóan viselkedik a maradék koncentrációja és az oldaltermék mennyisége. Az oldaltermék min sége megn kismértékben. A párlat min sége javul, ez azért van, mert a maradék 52


min ségét a kolonna aljának k mérséklet szabályozása tartja értéken, az oldal termék mennyiségét pedig meghatároztam. Oldal elvételként 2%-al több terméket veszek el, mint a betáplált toluol mennyisége, mivel ennek a komponensnek n a koncentrációja a betáplálásban, így nagyobb mennyiség benzol és toluol távozik az oldaláramban, így jobb lesz a kolonna elválasztása a fej és fenéktermékre nézve. Ezt az is bizonyítja, hogy kisebb az új stacioner pontban az oszlop kiforralójának h igénye. A xilol koncentrációjának változása 35 34 33

Párlat mennyisége

kg/h

32


31


30 29 28 27 26 0

2

4

6

8

10

Id (h)

40. ábra Xilol koncentrációjának hatása a termékek mennyiségére

53


1

kg/kg

0.99 0.98

Párlat benzol konc.

0.97

Oldaltermék toluol konc. Maradék xilol konc.

0.96 0.95 0.94 0.93 0.92 0.91 0

2

4

6

8

10

Id (h) 41. ábra Xilol koncentrációjának hatása a termék min ségre Az új stacioner pont adatai: Betáplált anyag mennyisége: 90 kg/h Betáplált elegy típusa: C (4. Táblázat) A kiforraló h igénye 26,61 kW A refluxáram nagysága 224,5 kg/h A 22-es tányér h mérséklete: 144,38°C 11. Táblázat Az alap stacioner pont termékeinek adatai Párlat

Oldal termék

Maradék


0.988

0.92

0.989


26,73

28,5

27,0

Az eredményekb l látszik, hogy az el z vizsgálathoz hasonlóan viselkedik a maradék koncentrációja és az oldaltermék mennyisége. Az oldaltermék és a párlat tisztasága csökkent, ez azzal magyarázható, hogy az egész kolonnában

54


megnövekedik a toluol koncentráció, mivel a kolonna alján a h mérsékletet értéken tatja a szabályzó. 4.2. A dinamikus vizsgálatok értékelése A dinamikus vizsgálatok során a stacioner vizsgálatokban meghatározott paraméterekkel rendelkez kolonna id beli viselkedését elemeztem. Létre hoztam a dinamikus szimulátorban az osztott ter rektifikáló kolonna részletes modelljét. Ezután a rendszere szabályzó struktúrát alkottam, majd a behangoltam a szabályzókat. Ezután a rendszer stabilitását munkapont váltásokkal vizsgáltam. A dinamikus vizsgálatok eredményei azt mutatják, hogy az osztott ter kolonnát lehetséges hagyományos szabályzóstruktúrával kézben tartani. Szintén látszódik, hogy a kolonna alján a h mérsékletszabályozás jól kézben tartja a maradék tisztaságát. Viszont a zavarások hatására a termékek tisztasága nem elégíti ki a szétválasztási feladatot. A zavarások hatását egy új szabályzási struktúrával lehet kiküszöbölni, a rendszer bonyolultsága miatt modell bázisú megközelítés lenne a legalkalmasabb.

55

Összefoglalás

5. Összefoglalás Diplomamunkám során irodalmi összefoglalót készítettem a sokkomponens elegyek forráspont szerinti szétválasztásáról, irodalmi kutatást végeztem az osztott ter rektifikáló kolonna történetér l és tervezési módszerér l. A gyakorlati részben kidolgoztam az osztott rendszer dinamikus és stacioner szimulátorát.

A

konstrukcióinak

stacioner

modellel

energiaigényét.

energiaigényét különböz

vizsgáltam

Valamint

a

kolonna

megvizsgáltam

a

különböz változatok

koncentrációjú betáplálások esetén. A vizsgálatok

eredményéül egy minimális energia igény konstrukciót kaptam, ezt a rendszert képeztem le a dinamikus szimuláció során. A dinamikus vizsgálatok bebizonyították, hogy a rendszert lehetséges hagyományos szabályzási struktúrával irányítani, valamint hogy a rendszernek nincs különös üzemeltetési érzékenysége. A munkám során elmélyedtem az Aspen Plus és Aspen Dynamics szoftverek kezelésében, és hasznos tapasztalatokat nyertem egy komplex kolonna leképezésében.

56

Irodalomjegyzék

Irodalomjegyzék [1]

Hernandeza

S.;

Segovia-Hernandeza

J.

G.;

Rico-Ramırez

V.;

Thermodynamically equivalent distillation schemes to the Petlyuk column for ternary mixtures (Energy 31 (2006) 1840–1847) [2]

Haddad H.N.; Manley D.B.; Improve crude oil fractionation by distributed

distillation (HYDROCARBON PROCESSING 2008, VOL 87; NUMB 5, pages 93-110) [3]

Wright R. O., Fracitonation Apparatus (1949 United States Patent

No.:2,471,134) [4]

Aspen Plus 2006 Reference Guide, AspenTech Inc., MA, USA, 2006

[5]

Fonyó Zs. – Fábry György (1998) Vegyipari M velettani Alapismeretek

[6]

Young Han Kim A new fully thermally coupled distillation column with

postfractionator (Chemical Engineering and Processing 45 (2006 )254-263) [7]

Erik A. Wolf and Sigurd S. Operation of Tree-Product (Petlyuk)

Distillation Column (Ind. Eng. Chem. Res. (1995),34, 2094-2103) [8]

Parkinson Dividing-Wall Columns Find Great Appeal (Chemical

Engineering Process (May 1 2007)) [9]

G. P. Rangaiah, E. L. Ooi, and R. Premkumar A Simplified Procedure for

Quick Design of Dividing-Wall Columns for Industrial Applications (Chemical Product and Process Modeling (2009) Vol.4 Issue 1 Article 7) [10]

Coulson J.M., Richardson J.F., Chemical Engineering Vol 1 Fluid Flow,

Heat Transfer, Mass Transfer, Vol 6 Design

Köszönetnyilvánítás

Köszönetnyilvánítás Nagy tisztelettel köszönöm dr. Németh Sándornak a sok segítséget és türelmet, melyet munkám során kaptam t le. Köszönöm Szeifert Ferencnek a tanácsait és kérdéseit, melyek sokat segítettek diplomamunkám megírásában. Köszönöm szüleimnek a sok támogatást az egyetemi éveim alatt, mely nélkül nem sikerült volna eljutnom idáig. Köszönöm Balaton Miklósnak és Rádi Györgynek barátságukat mely széppé tette az elmúlt öt évet. Továbbá Balaton Miklósnak, mint szobatársnak köszönöm, hogy elviselhettem diplomaírás közben, és hogy két évben.

elviselt lakótársként az elmúlt

DIPLOMADOLGOZAT. Szabó László

Recommend Documents