Vegyipari műveletek II. Témakör: desztilláció Székely Edit BME VBK

Vegyipari műveletek II Témakör: desztilláció Székely Edit BME VBK [email protected]

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.

Desztilláció az iparban • Etanol előállítása – Élelemiszeripar – Vegyipar – Bioetanol

Etanol = etil-alkohol Molekulatömege: 46 g/mol Összegképlete: C2H6O Szerkezeti képlete: CH3CH2OH Főbb tulajdonságok: színtelen, szobahőmérsékleten folyadék halmazállapotú anyag. Vízzel korlátlanul elegyedik. Leggyakrabban fermentációval állítják elő, majd desztillációval töményítik. A vízzel minimális forráspontú azeotrópot képez. Térszerkezete:

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)

Desztilláció az iparban • Etanol előállítása • Kőolajipari elválasztások • Szennyvíztisztítás – Elsősorban nagy oldószertartalmú ipari szennyvizek – Gázmosók vizei (lsd abszorpció)

A desztilláció múltja, jelene, jövője • Két vagy több illékony komponenst tartalmazó homogén folyadékelegy legelterjedtebb elválasztási művelete. • Az elválasztás alapja a komponensek eltérő illékonysága. • Segédanyag hozzáadását nem igényli, ezért környezetkímélő, de az energiaigénye nagy. • Számos elválasztási feladatnál más elválasztó műveletekkel (még) nem helyettesíthető.

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 estén ezek arányától) – És a nyomástól. Nagyobb nyomáson a tiszta anyagok forráspontja magasabb. Ennek oka, hogy egy folyadék (akár egy, tiszta komponens akár folyadékekegy) 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.

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

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

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

Alapfogalmak – forrpont-harmatpont és egyensúlyi diagramok • A diagramok megszerkeszthetőek mérési adatokból. A méréshez tartozó nyomáson érvényesek.

Gőz-folyadék egyensúlyi adatok mérése • A rendszert elektromos fűtéssel forrásba tartjuk. A nyomásállandóságot biztosítjuk. • A gőz fázist kerintgetjük, hogy biztosan beálljon az egyensúly (az átbuborékoló gőz keveri a folyadékot is). • Mintát veszünk mind a gőz mind a folyadékfázisból, meghatározzuk ezek összetételét.

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.

Forrpont-harmatpont és egyensúlyi diagram – közel ideális elegy

Benzol-toluol elegy, atmoszférikus nyomáson

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.

Forrpont-harmatpont és egyensúlyi diagram – minimális forráspontú azeotróp

izopropil-éter–izopropanol elegy, atmoszférikus nyomáson

Forrpont-harmatpont és egyensúlyi diagram – maximális forráspontú azeotróp

Aceton–kloroform elegy, atmoszférikus nyomáson

Forrpont-harmatpont és egyensúlyi diagram – heteroazeotróp

Etil-acetát–víz elegy, atmoszférikus nyomáson

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 jelöl

Desztillátum gyűjtő tartály. A desztillátum a lekondenzált és összegyűjtött pára.

Konzenzedény. Csak a lekondenzált (folyadék halmazállapotú) fűtőgőzkondenzátumot engedi ki a túlnyomású térből, a még használhatő fűtőgőzt nem.

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 moltörtjével adjuk meg (xD)

Egyszerű szakaszos desztilláció

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.

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

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  Ld x   d L  d x  dV  y

L  d x  d L  ( y  x) dx dL  yx L

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  L d x  d L y szeparáljuk a változókat

x0

L0 dx dL  yx   L x1 L1

x0

L0 dx  y  x  ln L x1 1

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 motörtek, 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 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 átlagos desztillát umösszetétel

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 elggyel egyensúlyban levő páráé és nagyobb, mint a kiindulási elegyé. Az illékonyabb komponensből viszonylag nagy tisztaságot csak több egymás utáni desztillációval lehet elérni (lsd. egyensúlyi diagram és pálinkafőzés). • Az egyszerű szakaszos deszitllációt előszeretettel alkalmazzák kisebb léptékben, minél nagyobb mennyiségeket kell desztillálni annál inkább a folyamatos műveletek válnak gazdaságossá.

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.

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 falának külső oldalán 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 az üstben mérhető (és az üstből távozó) x moltörttel.

A maradékelvétel mólárama L. Összetétele x (illékonyabb komp. moltört) .

Fűtőgőzkondenzátum elvétel kondenzedényen keresztül

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.

Cseppelválasztó ciklon. A nyomáscsökkentés hatására a forró folyadék egy része elpárolog. A párából az el nem párolgott folyadékcseppeket kiülepítjük, ez lesz a maradék.

Maradék.

Folyamatos egyensúlyi desztilláció részleges kondenzáltatással Pára Gőz halmazállapotú Betáplálás.

Részleges kondenzátor. A gőz halmazállapotú betáplálást annyira lehűtjük, hogy a kívánt összetételű folyadék kondenzáljon le.

Cseppelválasztó ciklon. A a hűtés hatására kivált folyadékcseppeket párából kiülepítjük, ez lesz a maradék.

Maradék.

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

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.

A folyamatos egyensúlyi desztilláció matematikai leírása Folyamatos egyensúlyi desztillációval nem lehet tetszőleges tisztaságú párát és maradékot előállítani.

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.

Folyamatos rektifikálás • Folyamatos, állandósult állapotban végzett elválasztó művelet. Mivel folyamatos művelet, jellemzően nagy betáplálási áramok esetén gazdaságos. • Elterjedten alkalmazzák az iparban (szén-hidrogénipar; oldószerek tisztítása, visszanyerése; ipari szennyvizek tisztítása). • Folyadék-gőz egyensúlyon alapul. Az órán csak két komponensű rendszerekről esik szó, de a valóságban sok komponens (összetevő) a jellemző. 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.

Folyamatos rektifikálás = többszöri részleges elforralás illetve kondenzáltatás

Alsó oszloprész

Felső oszloprész

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 lekodenzáltatott 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 veztjük, így biztosítjuk a felfelé szálló párát az oszlopban.

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.

Harangsapkás tányér

40

Szitatányér

41

Szelepes tányér

42

Szelepes tányér működési elve

G

G

G

ő

ő

ő

z

z

z

43

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 a pára illetve a folyadék mólárama oszloprészenként állandó.

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

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

Rektifikálás – felső munkavonal A komponensmérleg a felső oszloprészre: V  yn1  L  xn  D  xD

Anyagmérleg a felső oszloprészre (ugyanez az egyenlet írható fel a kondenzátorra is: V  LD

Az yn+1-et kifejezve a komponensmérlegegyenletből, és behelyettesítve az anyagmérlegegyenletet: y n 1 

L D L D  xn   x D   xn   xD V V LD DL

Rektifikálás – felső munkavonal y n 1 

L D L D  xn   x D   xn   xD V V LD DL

Helyettesítsük be a refluxarányt (R=L/D): yn1 

R x  xn  D R 1 R 1

Az indexek elhagyásával általánosítva megkapjuk a felső munkavonal egyeletét, ami a tányérok közötti térben az egymás mellett elhaladó áramok összetétele között teremt kapcsolatot: y

R x x D R 1 R 1

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 m1  W  xW

Rektifikálás – alsó munkavonal L'  V 'W

L'xm  V   y m1  W  xW

Az y-t kifejezve megkapjuk az alsó oszloprész munkavonalegyenletét is: y m 1 

L' W  x m   xW V' V'

L' W y   x   xW V' V'

Rektifikálás – refluxarány, munkavonalak A refluxarány ismeretében (mi szabályozzuk) a felső munkavonalat meg lehet szerkeszteni az egyensúlyi diagramon. Az alsó munkavonal megszerkesztéséhez azonban ismerünk kell a betáplálás hőállapotát. A betáplás hőállapota szabja meg, hogy a felső oszloprészbeli (ismert) pára és folyadék móláramoktól mennyire tér el az alsó oszloprészbeli áramoktól. y

L' W  x   xW V' V'

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 q=1 hF = HF–q· r 0 < q < 1 hF = HF hF > HF

q=0 q<0

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

Rektifikálás – a betáplálás hőállapota Vonjuk ki a felső munkavonal egyenletét az alsó munkavonal egyenletéből: L' W  x   xW  V ' y  L' x  W  xW V' V' L D y   xn   x D  V  y  L  x  D  x D V V (V   V ) y  ( L   L) x  Wx W  Dx D y

L  L  q  F V  V   (1  q) F

q  1  F  y  ( q  F ) x  F  xF q  1 y  ( q) x  xF y

q 1 x  xF q 1 q 1

A q ismeretében kifejezhető és megszerkeszthető a q-vonal.

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: 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.

Elméleti tányérszám meghatározása

Rektifikálás - terhelési tényező

Ffaktor  v  G 1 m kg 2   Pa s m3

G 

PM R T

P  P0  P  N valós

• A terhelési tényező (Fterhelési) 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.

Rektifikálás – tányérhatásfok

A működési tartomány az, ahol a görbék vízszintesek

Rektifikálás – oszlopátmérő számítása v

Ffaktor

• Kiválasztunk egy olyan terhelési G tényező értéket (tartományt) amelynél az oszlop működése az Térfogatáram az oszlop optimális tartományba esik. tetején és alján Ráll  Tt • A rögzített terhelési tényező R  T áll a  V V V  V  mellett az oszlop tetején és az alján P0 P is kiszámítjuk az oszlopátmérőt (D0). V V 4V v  2  2 A Do  Do  • Olyan átmérőt választunk amely mellett az oszlop összes tányérja 4 megfelelő tartományban múködik. 4V Do 

v

Rektifikálás – oszlopmagasság számítása • Meghatározzuk szerkesztéssel az elméleti tányérszámot (Nelm). • A tányérhatásfok (ηtányér) felhasználásával kiszámoljuk a valódi tányérok számát. Mindig felfelé kerekítünk. A tányérhatásfok függ: N elm – Tányér típusa (szerkezete) N valós  tányér – A tányér terhelési tényezője (Fterhelési).

• A tányérok számát megszorozzuk a tányértávolsággal. H  N valós  H

Gazdasági optimum

Csökken a szükséges oszlopmagasság (tányérszám)

Jelentősen nő az oszlop átmérője

Gazdasági optimum Q üst  V W 

 V  q  1) F W 

 R  1D  q  1F W

Q kond  VD   R  1DD

Hűtés és fűtés költsége

Kondenzátor Q kond  VD  R  1DD

Részleges visszaforraló üst

Részleges visszaforraló üst

Teljes visszaforraló üst

Short-cut számítások

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.

Rendezetlen töltetes oszlop

69

Rendezetlen töltetek / gyűrűk

Raschig-gyűrű

Pall-gyűrű 70

Kaszkád gyűrű

Rendezetlen töltetek / nyergek

Berl-nyereg Intalox-nyereg 71

Szuper intaloxnyereg

További rendezetlen töltetek

Hópehely

Konjugált gyűrű 72

Lessing-gyűrű

További rendezetlen töltetek

Kerámia golyók

Envipack gömb

Spirális töltet 73

Rendezett töltetes oszlop

74

Rendezett töltetek

75

Folyadék elosztók

76

Töltet alátámasztások

77

Töltet lefogók

78

Rektifikálás – töltött oszlopok • Folyamatos fázis-érintkeztetés (elméleti tányérszám módszer ugyan alkalmazható, de nem jellemző a folyamatra). • Az oszlop hosszában folyamatosan változik az összetétel, nincs egyensúly. • Munkavonalak levezethetőek. • Az anyagátbocsátás a kétfilmelmélet szerint írható le (modellezhető).

Anyagátadás, anyagátbocsátás • Fick I. törvénye: fázison belüli diffúzió d nA d cA   DA A dt dz nA az A komponens mennyisége (mol), t idő (s), A áramlásra merőleges felület (m2), DA az A komponens diffúziós együtthatója (m2/s), cA az A komponens koncentrációja (mol/m3), z helykoordináta (m).

Anyagátadás, anyagátbocsátás • Fick I. törvénye: fázison belüli diffúzió d nA d cA   DA A dt dz

• Fluxus n A d cA JA    DA A dz

Fázison belüli anyagtranszport

Filmelmélet JA 

D AB



(c Ai  c A )   (c Ai  c A )  anyagátadási tényező (m/s)  filmvastagság (m)

Oldódás, adszorpció: egyfilm-elmélet Desztilláció, extrakció, abszorpció: kétfilm-elmélet

Kétfilm-elmélet, anyagátbocsátási tényező

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

 y A  y Ai

 y Ai  y A

J A  K y ( y A  y A )   K x ( x A  x A ) 1 m 1   Ky x y

1 1 1   K x  x m y

Rektifikálás – töltött oszlopok V d y  K y aA( y   y ) d H V dy dH  K y aA y   y

Hf 

HD

d H 

HF

yD

V dy K y aA yF y   y

H f  HTUf  NTUf HF

yF

V' dy Ha  d H    K a  A y y y 0 yW

H a  HTU a  NTU a

HTU – NTU módszer alkalmazása Height of a Transfer Unit- Number of Transfer Unit

yF

NTU a 



yW

dy y  y

H  H a  H f  HTU a  NTU a  HTU f  NTU f

yD

NTU f 



yF

dy y  y

Töltetmagasság meghatározása HETP módszerrel HETP: Height Equivalent to a Theoretical Plate • Elméleti tányérszám meghatározás a McCabeThiele módszerrel

H  N  HETP

Oszlopátmérő meghatározása töltött oszlopok esetén • Terhelés tényező módszerrel

Forrás: Sulzer

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)

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

90

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.

Rendezetlen töltetes oszlop

92

Rendezetlen töltetek / gyűrűk

Raschig-gyűrű

Pall-gyűrű 93

Kaszkád gyűrű

Rendezetlen töltetek / nyergek

Berl-nyereg Intalox-nyereg 94

Szuper intaloxnyereg

További rendezetlen töltetek

Hópehely

Konjugált gyűrű 95

Lessing-gyűrű

További rendezetlen töltetek

Kerámia golyók

Envipack gömb

Spirális töltet 96

Rendezett töltetes oszlop

97

Rendezett töltetek

98

Folyadék elosztók

99

Töltet alátámasztások

100

Töltet lefogók

101