W 10 Rektyfikacja, PWR, Chemia, Inżynieria chemiczna, Skrzypiński wykłady
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Wykłady z inżynierii chemicznej Wojciech Skrzypiński Rektyfikacja roztworów dwuskładnikowych Zasada działania kolumny rektyfikacyjnej Na ogół destylacja prosta powoduje niewielkie rozfrakcjonowanie składników surowca w powstających produktach. Czystość destylatu można zwiększyć poprzez jego ponowną destylację, a otrzymany destylat znów przedestylować. Proces ten można wykonywać wielokrotnie, co przedstawiono na poniższym schemacie, a przebieg procesu destylacji wielokrotnej wygodnie jest zilustrować na wykresie fazowym we współrzędnych: temperatura – skład cieczy i pary. D 4 D 3 V 4 D 2 V D 1 V V W 4 S W 3 W 2 W 1 t t W V 1 1 V 2 W S 2 D 1 V 3 W V 3 D 2 W 4 D 4 3 D 4 x, y Surowiec doprowadza się do pierwszego aparatu i po ogrzaniu do temperatury zawartej pomiędzy początkową i końcową temperaturą wrzenia rozdziela się na ciecz wyczerpaną W1 i opary V1. Opary poddaje się skropleniu otrzymując destylat D1, który jest jednocześnie surowcem w kolejnym aparacie. Destylat D1 po ogrzaniu rozdziela się na kolejne porcje cieczy wyczerpanej i oparów. W następnych aparatach otrzymuje się destylat o coraz większej zawartości składnika lotniejszego. Takie postępowanie pozwala otrzymać produkt (D4) dowolnie wzbogacony w składnik lotniejszy, lecz podstawową wadą tej metody jest jej duża pracochłonność, duże zużycie ciepła, mała ilość destylatu końcowego i duża ilość odpadów w postaci cieczy wyczerpanych zbieranych w każdym etapie. 1 132 3 2 1 0 Wykłady z inżynierii chemicznej Wojciech Skrzypiński Na wykresie fazowym widać, że składy cieczy wyczerpanych opuszczających dany aparat są zbliżone do składu surowca wpływającego do poprzedniego aparatu (W1 - S, W2 - D1, W3 - D2, W4 - D3). Pozwala to ulepszyć powyższą metodę wykonując proces przeciwprądowy. Instalację służącą do wykonywania procesu destylacji przeciwprądowej przedstawiono poniżej. D S W Surowiec wpływający do drugiego z kolei aparatu destylacyjnego rozdzielany jest na destylat i ciecz wyczerpaną. Destylat podawany jest do aparatu następnego, a ciecz wyczerpana do aparatu poprzedniego. Wadą metody jest konieczność doprowadzania ciepła do każdego aparatu i odprowadzania go w chłodnicach umieszczonych nad każdym z nich. Jeśli jeszcze raz przyjrzeć się wykresowi fazowemu, to widać, że temperatura procesu w każdym następnym aparacie jest niższa niż w aparacie poprzednim. Stąd wniosek, że opary z aparatu poprzedniego można wykorzystać do ogrzewania aparatu następnego bez konieczności stosowania skraplacza. Jest to ogrzewanie bezprzeponowe za pomocą oparów, które ulegają kondensacji. Schemat takiej zmodyfikowanej instalacji przedstawiono na kolejnym rysunku. D S W Jak widać, z zewnątrz ogrzewany jest tylko pierwszy aparat, a chłodnica jest umieszczona nad ostatnim aparatem. Ten ostatni aparat, podobnie jak wszystkie pozostałe, musi być także zasilany cieczą. Jedyną możliwością jest zasilanie tego aparatu częścią „własnego” destylatu. Oznacza to, że tylko część oparów powstających w ostatnim aparacie może być odebrana jako destylat. Jeśli by usytuować opisane powyżej aparaty jeden nad drugim, zmienić ich konstrukcję tak, aby każdy z nich zachował możliwość doprowadzania cieczy i oparów oraz odprowadzania tych strumieni i zabudować je w jednym płaszczu, to otrzyma się aparat kolumnowy w dolnej części ogrzewany z zewnątrz, w części środkowej zasilany surowcem, a w części górnej wyposażony w skraplacz oparów. Aparaty takie to kolumny rektyfikacyjne , a ich zabudowę wewnętrzną stanowią tzw. półki. Półki mogą mieć rozmaitą budowę od półek dzwonkowych do sitowych, a także mogą być zastąpione wypełnieniem usypanym lub regularnie układanym z mniejszych elementów (np. pierścieni). Najbardziej charakterystyczną cechą procesu rektyfikacji jest konieczność zawracania części oparów odbieranych ze szczytu aparatu do wnętrza kolumny jako tzw. orosienie (powrót). Jeśli zastosuje się skraplacz niezupełny, to 133 Wykłady z inżynierii chemicznej Wojciech Skrzypiński powstające w nim skropliny całkowicie są zawracane do kolumny rektyfikacyjnej, a destylat odbierany jest w postaci par, które skrapla się w innym wymienniku ciepła. Przez zmianę strumienia wody chłodzącej w skraplaczu niezupełnym zmienia się ilość orosienia zawracanego do kolumny. Kolumny rektyfikacyjne mogą pracować w sposób ciągły lub okresowo. W kolumnie rektyfikacyjnej o działaniu ciągłym surowiec wprowadza się na pewnej wysokości kolumny, natomiast w kolumnie „okresowej” destylowany roztwór znajduje się w kotle. Schematy niektórych rozwiązań kolumn rektyfikacyjnych przedstawiono poniżej. Na rysunku a przedstawiono kolumnę rektyfikacyjną pracującą w sposób ciągły i wyposażoną w skraplacz zupełny. Na rysunku b zamieszczono schemat kolumny rektyfikacyjnej pracującej w sposób okresowy, a na rysunku c kolumnę rektyfikacyjną o działaniu ciągłym, która pracuje pod obniżonym ciśnieniem i wykorzystuje ciepło niesione przez opary oraz ciecz wyczerpaną do wstępnego podgrzewania surowca. W celu zaprojektowania kolumny rektyfikacyjnej do danego procesu rozdziału najpierw trzeba umieć ilościowo opisać pracę tego aparatu, co w najprostszej postaci przedstawiono poniżej 134 Wykłady z inżynierii chemicznej Wojciech Skrzypiński Analiza pracy oraz bilans masowy i cieplny kolumny rektyfikacyjnej Analizę pracy kolumny rektyfikacyjnej najłatwiej przeprowadzić dla aparatu wyposażonego w półki, zaopatrzonego w skraplacz zupełny i wyparkę. Schemat działania takiego aparatu przedstawiono na rysunku. y 1 x D x D D V V V L L L y y x x x x x x 1 2 1 2 3 2 3 y y y n-1 n-1 n-1 n V V L L n n-2 n-2 n-2 S x F V V V L L L x W W Do aparatu wpływa strumień surowca, który w najogólniejszym przypadku może być złożony z dwóch faz, tj. nasyconej pary i wrzącej cieczy, które są ze sobą w równowadze. Strumień par dołącza się do strumienia oparów przepływających przez kolumnę, a strumień cieczy dołącza do skroplin spływających w dół do wyparki. Bilans masowy całej kolumny przedstawia równanie: W S , D gdzie: S, D, W - strumienie surowca, destylatu oraz cieczy wyczerpanej [kmol/s]. Bilans masowy jednego ze składników, np. bardziej lotnego wyraża równanie: S x F D x D W x W . Z kolei bilans cieplny kolumny rektyfikacyjnej można zapisać równaniem: S i F Q wyp D i D W i W Q skr gdzie: F i , D i , W i - entalpie molowe surowca, destylatu i cieczy wyczerpanej [J/kmol], Q - strumień ciepła dostarczany do kotła (wyparki) oraz odbierany w skraplaczu (deflegmatorze) [W]. W równaniu bilansu nie uwzględniono strat, które powinny być dodane po prawej stronie równania, jeśli proces wykonywany jest w temperaturach większych od temperatury otoczenia lub po lewej stronie, jeśli proces dotyczy na przykład rektyfikacji powietrza. Napiszmy bilanse dowolnie wybranej półki umieszczonej w górnej części kolumny np. o numerze „n”. Strumieniom opuszczającym półkę nadamy indeksy odpowiadające półce ( V , Q wyp , skr L ). Molowy strumień oparów dopływających od dołu na półkę „n” oznaczy się przez 1 V , 135 3 n n Wykłady z inżynierii chemicznej Wojciech Skrzypiński oraz analogicznie strumień cieczy dopływającej z góry 1 L . Zatem bilans molowych strumieni n tej półki przedstawi równanie: V n 1 L n 1 V n L n Równanie bilansu cieplnego półki „n” przybierze postać: V i , L i , V i , n L i , n n 1 n 1 n 1 n 1 n n i - molowe entalpie pary i cieczy [J/kmol]. Z dwóch ostatnich równań wyeliminujmy 1 V . V n 1 L n 1 V n L n V i , L i , L i , L i , V i , n L i , n n 1 n 1 n n 1 n 1 n 1 n 1 n 1 n n ostatecznie otrzymuje się następującą zależność: V i , , i , n , L i , , i , n L i , , i , n n 1 n n 1 n 1 n 1 n 1 Dla procesu destylacji składników o podobnej budowie chemicznej i na ogół zbliżonych wartościach molowego ciepła parowania cieczy, w bardzo wielu praktycznych przypadkach zastosowań można przyjąć, że entalpia nie zależy od składu strumienia, a więc: , i n i , , , n 1 i n i . , n 1 Uwzględniając powyższe przybliżenia otrzymuje się bardzo istotną zależność: L n L . n 1 Przeprowadzając podobne rozumowanie łatwo można wykazać, że: V n V . 1 n Na podstawie dwóch ostatnich równości stwierdza się, że w kolumnie rektyfikacyjnej występuje tzw. równomolowy przepływ cieczy i pary , co oznacza, że wzdłuż drogi przepływu molowe strumienie obu faz są niezmienne, jak pokazano to na powyższym rysunku. Jednakże należy pamiętać, że dołączenie strumienia surowca może zmieniać strumień oparów w górnej części kolumny lub strumień cieczy w jej części dolnej. Z tego powodu na rysunku o znaczo n o strumienie w górnej części literami V oraz L, a w dolnej części kolumny literami V oraz L . Doświadczenie wykazuje, że zasada równomolowości przepływów jest spełniona w bardzo wielu zastosowaniach praktycznych. Kolumnę rektyfikacyjną można zatem podzielić na dwie części: górną część kolumny, która leży powyżej punktu dostarczania surowca oraz dolną część kolumny, która leży poniżej tego punktu. Jeśli z górnej części kolumny wyciąć pewną część od szczytu do dowolnie wybrajej przestrzeni międzypółkowej, to do tego fragmentu kolumny dopływa strumień oparów V o pewnym stężeniu składnika lotniejszego y, natomiast wypływa strumień destylatu D o stężeniu D x i strumień skroplin L o zawartości składnika lotniejszego x. x D D y x V L 136 i , , gdzie: , , , [ Pobierz całość w formacie PDF ] |