DIPLOMADOLGOZAT. Szabó László

Átírás

1 DIPLOMADOLGOZAT Szabó László 2009

2

3 Pannon Egyetem Folyamatmérnöki Intézeti Tanszék DIPLOMADOLGOZAT Osztott ter rektifikáló kolonna dinamikai vizsgálata Szabó László Témavezet: dr. Németh Sándor dr. Szeifert Ferenc 2009

4 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

5 Tartalmi összefoglaló Az osztott ter kolonna egy ígéretes energiatakarékos alternatíva a többkomponens elegyek szétválasztására. A berendezés lényege, hogy az oldalelvételes kolonna oszlopterét megosztják egy függleges 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 függleges helyzetét, és a fal hvezet-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 mködését 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 elegyek szétválasztása

6 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

7 Tartalomjegyzék Bevezetés Irodalmi összefoglaló Kéttermékes rektifikáló kolonnák sorba kapcsolása Oldaltermékes kolonna Oldaltermékes kolonna oldalsztripperrel és oldalrektifikálóval Oldaltermékes kolonna elfrakcionálással Petlyuk kolonna Osztott ter rektifikáló kolonna A kolonna mködési elve A kolonna optimalizálása [9] A Shortcut modell bemutatása Aspen Plus és Aspen Dynamics szimulációs rendszerek bemutatása A vizsgálatok során alkalmazott modellek A stacioner állapotok vizsgálatoka Az elválasztási feladat meghatározása A kolonna leképezése stacioner szimulátorban Az osztott ter kolonna dekomponálása Az osztott ter kolonna stacioner modellje A stacioner vizsgálatok eredménye A falmagasság hatása A függleges pozíció hatása A keresztmetszetarány hatása A hátadás hatása Az osztott ter kolonna energia kihasználása A stacioner vizsgálatok eredményeinek összefoglalása A Dinamikus állapotok vizsgálata Az osztott ter kolonna leképezése dinamikus szimulátorban A dinamikus modell A szabályozó körök A szabályzók hangolása Szabályzókörök vizsgálata A kolonna viselkedése zavarás hatására A dinamikus vizsgálatok értékelése Összefoglalás Irodalomjegyzék Köszönetnyilvánítás... 58

8 Bevezetés Bevezetés A vegyiparban a folyadék elegyek szétválasztására megközelítleg 95%-ban desztillációt alkalmaznak, e készülékek mködtetésére felhasznált energia a Föld energiafelhasználásának 3%-a [1]. A desztillációs mveletek között a rektifikálás az egyik legelterjedtebb elválasztó mvelet, 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 függleges 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 mködik, vagyis jobb lesz az energia fajlagos kihasználása. Ezzel a módszerrel, bizonyos beruházási költség árán a már meglév mveleti egységek energia kihasználása is növelhet. Diplomadolgozatomban bemutatom, az osztott ter kolonna leképezését flowsheeting szimulátorban. Szimulációs vizsgálatokat végezve elemezem a kolonna mködését 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

9 Bevezetés 1. ábra Az osztott ter kolonna sematikus és metszeti ábrája 2

10 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 Kéttermékes rektifikáló kolonnák sorba kapcsolása A hagyományos rektifikálás során a mveleti 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 mveleti egységek sorba kapcsolásával tudunk szétválasztani. A módszer lényege, hogy a szétválasztás els lépésében a betáplált elegybl 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 n- 1 darab készülék kell, amelyeket [ 2 ( n 1) ]! n! ( n 1)! módon lehet sorba kapcsolni. Három komponens elegynél kétféle, tíz komponensnél féle variáció lehetséges. [5] Egyenes szétválasztási sorrendnek nevezik azt az esetet mikor minden egyes lépésnél a könnykomponenst 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

11 Irodalmi összefoglaló variációs lehetség 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 Kolonnák száma Lehetséges variációk száma A tervezi 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 kedvezbb. 2. Ha a szétválasztás során az egyik nehezebb komponens mennyisége túlsúlyban van a többihez képest, akkor a fordított sorrend választása lehet célszerbb (ekvimoláris szétválasztás). 3. Ha két egymást követ komponens relatív illékonysága közel egységnyi (közeli forráspontú komponensek), a fordított sorrend 4

12 Irodalmi összefoglaló választása kedvezbb 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 elbb eltávolítani 6. Gyantásodásra, polimerizációra hajlamos komponenseket minél elbb távolítjuk el az elegybl Könny belátni, hogy az egyes heurisztikus szabályok sokszor egymásnak ellentmondanak és érvényességi körük változó. Figyelembe kell vennünk még az elz szabályokon kívül az adott szétválasztási feladatnál fellép körülményt. Így végleges döntés csak úgy hozható, ha egyes kapcsolódási sorrendeken részletes mszaki és gazdasági elemzést végzünk. A sorba kapcsolt rektifikáló kolonnák elnye: 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 mveleti egységbl áll (nagy beruházási költség) rossz energia kihasználás 2.2. Oldaltermékes kolonna Az oldaltermékes kolonna, abban különbözik a hagyományos kéttermékes rendszertl, 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

13 Irodalmi összefoglaló A betáplálás és az oldalelvételek között fontos, hogy megfelel számú tányér legyen, mivel a betáplálás ronthatja a termék minségét. 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 fként a kolaj atmoszférikus és vákuum desztillációjánál így az egyik legelterjedtebb elválasztási módszere a többkomponens elegyeknek. Nagy elnye, hogy egy mveleti 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 Oldaltermékes kolonna oldalsztripperrel és oldalrektifikálóval 6

14 Irodalmi összefoglaló 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 fkolonna), majd azt egy segéd kolonnába vezetik. A két módszer abban különbözik, hogy az oldalrektifikáló esetén gz terméket veszünk el a fkolonnából, és egy kondenzátorral rendelkez segéd kolonnába vezetjük. Az oldalsztripper esetén a fkolonna 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 elnye, 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 fkolonna energiaszükségletén túl a segédkolonnák energiaszükségletét is biztosítani kell. 7

15 Irodalmi összefoglaló 2.4. Oldaltermékes kolonna elfrakcionálással Az oldaltermékes kolonna hatásfokának javítására egy alternatíva az elfrakcionáló alkalmazása. Ennek a mveletnek a lényege, hogy a szétválasztandó többkomponens elegyet egy kéttermékes kolonnába (elfrakcionáló) vezetik, itt két különböz forráspontú elegyre válik szét, majd mind a párlatot, mind a maradékot különböz tányérokon tápláljuk az oldaltermékes kolonnába (fkolonna). 5. ábra Oldalelvételes kolonna elfrakcionálással Ezzel a módszerrel csökkentjük a betáplálás megváltozásának hatását az elvételre, így a tervezés során kisebb fkolonna kell és az oldalelvételes kolonna energiaigénye kisebb lesz, mint elfrakcionálás nélkül. A rendszer nagy hátránya, hogy két mveleti egységbl áll, két kiforralója és két kondenzátora van, ezek kölcsönhatása energetikailag kedveztlen Petlyuk kolonna A Petlyuk kolonna az elfrakcionálóval ellátott rendszer továbbfejlesztése. Ebben a rendszerben is van elfrakcionáló kolonna, de az nem rendelkezik se, kondenzátorral se visszaforralóval. Az oldal kolonna refluxát a fkolonnából 8

16 Irodalmi összefoglaló elvett folyadékkal, míg a kiforralást ugyancsak a fkolonnából vett gzzel biztosítjuk, ezért ezt a rendszert termikusan csatolt rendszernek nevezzük. 6. ábra Petlyuk kolonna Ennek a kolonnának nagy elnye, 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 elfrakcionálóba betáplált reflux és a gz szabályozása 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 függleges 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 elfrakcionáló 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 hátadást is. 9

17 Irodalmi összefoglaló 7. ábra Az osztott ter kolonna és a Petlyuk kolonna összehasonlítása Az osztott ter rektifikáló kolonnát elször 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 mvelettl az oldaltermék tisztaságának növekedését várta. A konstrukció nem terjedt el megbízható tervezési eljárás és üzemeltetési tapasztalatok hiányában as energiaválság után került eltérbe újra a konstrukció, mint az energia megtakarítás egyik ígéretes alternatívája 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 mködik világszerte, és évente megközelítleg 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

18 Irodalmi összefoglaló vállalatnak a Fawley finomítójukban (Southampton, Anglia). Az átalakítás harminc nap alatt készült el, és a kolonna energia megtakarítása 53%-os lett.[8] A kolonna mködési elve Az osztott ter rendszer mködési elve megegyezik a Petlyuk kolonna mködési 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 elfrakcionálóba 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 szennyezdését. Így a fal és az elfrakcionáló tetején benzol-toluol, az alján toluol-xilol elegy távozik. A benzol-toluol szétválasztása a fkolonna fels részén történik, toluol-xilol szétválasztása az alsó részen történik. Az elvételi oldalon és a fkolonna középs részén a toluol koncentrációja egy maximumot ér el, ezekbe a részekbe anyagáram csak felülrl és alulról lép be így az elvétel tisztaságát nem zavarja belép áram. [9] Az osztott ter konstrukció alapelvébl adódik, hogy sajátos profillal rendelkezik, hiszen az osztott részben, a kolonna profilja kettéválik. A Petlyuk kolonnánál viszont két profil van, hiszen az elfrakcionáló rész tányérszáma nem egyezik meg a fkolonna 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

19 Irodalmi összefoglaló BT B BT B BTX T BTX T TX X TX X 8. ábra Az osztott ter kolonna és a Petlyuk kolonna mködési sémája Elvételi oldal;alsó, fels rész Betáplálási oldal 0.7 (mol/mol) Tányérszám 9. ábra Az osztott ter kolonnában benzol koncentrációprofilja 12

20 Irodalmi összefoglaló (mol/mol) Tányérszám Elvételi oldal;alsó, fels rész Betáplálási oldal 10. ábra Az osztott ter kolonnában toluol koncentrációprofilja (mol/mol) Elvételi oldal;alsó, fels rész Betáplálási oldal Tányérszám 11. ábra Az osztott ter kolonnában xilol koncentrációprofilja 13

21 Irodalmi összefoglaló 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 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 gz állapotban vesszük 14

22 Irodalmi összefoglaló 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 gz 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 gz mennyiségének osztásarányát határozza meg. A Shortcut modellek tányérszámából és betáplálási helyébl következtethetünk az osztott rendszer felépítésére. Egy példán keresztül be szeretném mutatni az osztott ter kolonna paramétereinek meghatározását. A tervez modellek eredményeit a 2. Táblázat tartalmazza A dolgozat további részében a tányérok számozását mindig felülrl kezdem. 2. Táblázat Shortcut modellek eredményei K-1 K-2 K-3 Tányérszám Betáplálási tányér Az osztott ter kolonna tányérszámát a K-2 és K-3 modul tányérszámának összegébl 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. Ebbl látszik, hogy az osztott rész tányérszáma 30, míg az elfrakcionáló 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 eltérk 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

23 Irodalmi összefoglaló 13. ábra Az osztott ter rendszer optimalizálási algoritmusa 2.7. Aspen Plus és Aspen Dynamics szimulációs rendszerek bemutatása 16

24 Irodalmi összefoglaló 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 jellemzjük, hogy a rendszereket grafikus felületen folyamatábra szeren lehet leképezni. A mveleti egységeket blokként ábrázolják és az adott egység fbb paramétereit lehet specifikálni bennük. A szimulációs számítások eltt 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 becslmódszert alkalmazza a szoftver. A szimuláció során a szoftver kiszámítja a mveleti egységek mködési 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 A vizsgálatok során alkalmazott modellek Ebben a fejezetben ismertetem a számítások során alkalmazott blokkokat és azok fbb 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 következket: Tányérszám Kondenzátor típusa Visszaforraló típusa Refluxarány Visszaforralóba betáplált h 17

25 Irodalmi összefoglaló 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 átmérjét, 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 hcserél felületének és hátadási tényezjének kiszámítására, valamint részletes hcserélmodellként is alkalmazható. Ebben az esetben a hcserél részletes geometriai adatait is meg kell adni. Egyszersített modellként specifikálni lehet egyet az alábbiak közül Kilép áramok hmérsékletét Áramok hmérsékletváltozását A belép hideg és a kilép meleg áram hmérséklet különbségét Kilép áramok gzhányadát Átadott h mennyiségét Hajtóert Tervez módban használva a blokkot megkapjuk a specifikációnak megfelel hcserél adatait. Ezeket a paramétereket írhatjuk felhasználhatók a hcserél részletes számításakor. 18

26 Irodalmi összefoglaló 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, átmért, típust szeleppozíciót. Vizsgálataim során a részletes szeleptervezéstl 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 csszakasz leképezésére alkalmas. Specifikálni lehet benne a cs átmérjét, 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, hmérsékletet, gzhányadot. A szabadsági fok terhére a változók közül csak kett rögzíthet tetszleges kombinációban. Dinamikus szimulációba alkalmazva meg kell adni az átmérjét és a magasságát is. 19

27 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 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 jelentsen 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, 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

28 Stacioner vizsgálat 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 részbl, ezek az egységek nem tartalmaznak sem kiforralót sem kondenzátort. A második változatban rendszert két blokkal képeztem le, így fkolonna 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

29 Stacioner vizsgálat A stacioner szimulációnál a négy oszlopos megközelítést alkalmaztam, mert az oszlop folyadék- és gzáram elosztása a betáplálási rész és az elvételi rész között egyszeren megoldható egy külön blokkal, és így biztosítani tudtam a megegyez nyomásesést a két oldalon. A dinamikus szimuláció során a nyomás viszonyoknak megfelelen alakul a gz és a folyadék eloszlása, így itt a két oszlopos rendszert alkalmaztam. Ennek a rendszernek nagy elnye, hogy kevesebb blokkból épül fel, mint a négyoszlopos megközelítés, úgy tapasztaltam a szimuláció során a számítási id így kisebb 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 megegyeznek 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 jelentsége, viszont a RadFrac modul ebbl 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 hátadást 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 hmérséklet profiljainak értékeit exportáltam Excel-be, ott hajtóert számoltam majd ebbl a falon átadott h mennyiségét becsültem. Ezt az energia mennyiséget a tányérokra bevitt ftésnek illetve htésnek feleltettem meg. Az vizsgálatokban a hátadás és felület szorzatát 250 W/K nek vettem. Ez a szakirodalom által megadott hátadási tartomány [10] 22

30 Stacioner vizsgálat (ami az acélfalakra vonatkozik szerves komponensek esetén) középértékébl, és egy becsült felület értékbl 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 minsége az elválasztási célnak megfelel legyen. Alsó rész 23

31 Stacioner vizsgálat 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 higényét manuálisan változtattam és így állítottam be a maradék minségét. Betáplálási rész RadFrac modullal szimuláltam ezt az oszloprészt. Ez a kolonna képezi le az elfrakcionáló 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, Gzosztó A vizsgálatok során arra törekedtem, hogy az elvételi és a betáplálási rész nyomásesése megegyezzen, ezért a kolonnában lefolyó reflux mennyiségét és a felfelé áramló gzt az osztott részbe lépve, az oszlopok felületarányaival megegyez arányban osztottam. A folyadékosztó és a gzosztó ezt az arányt állítja be, leképezésükre FSplit egységet használtam. A gzosztó a valós rendszerekben nem létezik, ezt az arányt a nyomásviszonyok állítják be a valós rendszerbe. Csmodellek (CS1, CS2, CS3, CS4) A nyomásh modell érdekében biztosítanom kellett a felülrl lefelé áramló folyadék hajtóerejét a blokkok között, ezt cs modellek ( Pipe blokk) beiktatásával oldottam meg A stacioner vizsgálatok eredménye 24

32 Stacioner vizsgálat A stacioner vizsgálatok során tanulmányoztam az osztott ter kolonna különböz konstrukcióinak energiaszükségletét, valamint a konstrukciók energiaigényének változását különböz összetétel szétválasztandó elegyekre. Ezen elemzések során olyan paramétereit vizsgáltam az osztott ter kolonnának, mely az adott rendszerre jellemzek 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 lehetségeket vizsgáltam Qreb.(kW) Tányér 16. ábra A falméret hatása a kiforraló energiaszükségletére 25

33 Stacioner vizsgálat Az els vizsgálat során a BTX elegy komponensei azonos koncentrációjúak, eredményét a 16. ábra mutatja be. Az eredményekbl 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 eredményekbl 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

34 Stacioner vizsgálat 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 elgzölögtetni. 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 párolgáshje közel azonos. Qreb.(kW) A B C D Tányérszám 17. ábra Az osztott ter konstrukciók energia igénye különböz összetétel oldatokra a falmagasság vizsgálatok során A függleges pozíció hatása Tanulmányoztam a 9 tányér magasságú fal függleges 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 felsrész tányérszámát. Az elvételi és a betáplálási rész keresztmetszete a vizsgálat alatt megegyezett. A oszlop nem változtatott paraméterei: Tányérszám: 25 27

35 Stacioner vizsgálat Betáplálási tányér: 13 Elvételi tányér: 13 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 eljellel 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 termékminség eléréséhez Qreb.(kW) Tányér 18. ábra A fal függleges helyzetének hatása a kiforraló energiaigényére 28

36 Stacioner vizsgálat 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. Qreb.(kW) A B C D Tányér 19. ábra Az osztott ter konstrukciók energia igénye különböz összetétel oldatokra a függleges elhelyezkedés vizsgálatok során Az eredményekbl 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 elnyösebb 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 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 függlegesen középhelyzet. Az 29

37 Stacioner vizsgálat osztott térbe belép áramok (a fels részbl lefolyó folyadék és az alsó részbl felszálló gz) 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 részbl kilép gz és folyadék milyen arányban oszlik meg a középs rész két oldala között. Minél több egy oszloprészbe alulról belép gz és felülrl 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 gz 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 Qreb.(kW) Elvételi rész/teljes keresztmetszet (%) 20. ábra A keresztmetszetarány hatása a kiforraló energiaigényére 30

38 Stacioner vizsgálat 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 eredményekbl 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 gz kell a benzol kihajtásához. 5. Táblázat Energiaminimumok helyei Elegy megnevezése Energiaminimum helye (%) A 50 B 65 C 60 D 50 Qreb.(kW) 120 A 110 B 100 C 90 D Elvételi rész/teljes keresztmetszet (%) 21. ábra Az osztott ter konstrukciók energia igénye különböz összetétel oldatokra 31

39 Stacioner vizsgálat A hátadás hatása Az elz vizsgálatokban a hátadási tényez és a felület szorzatát 250 W/K nak vettem. Ebben a vizsgálatban tanulmányoztam, a hátadási együttható változtatásával hogyan változik az osztott ter kolonna energiaigénye. A hátadási tényez és a felület szorzatának értékét 0 W/K-tól 2000 W/K értékig változtattam. Az eredményekbl 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 hnek meghatározó szerepe legyen. E vizsgálat eredményeit látva, a dinamikus szimuláció létrehozása során a hátadást nem vettem figyelembe 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 Betáplálási tányér: 10 Elvételi tányér: 13 Az oldalelvételes kolonna adatai: Tányérszám: 25 Betáplálási tányér: 13 Elvételi tányér: 13 A betáplálási és elvételi oldal keresztmetszete megegyezik 32

40 Stacioner vizsgálat 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 higényéhez képest. Ez a különbség igen jelents, 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 valószínleg a két konstrukció energiaszükséglete kevésbé térne el egymástól Osztott ter kolonna Oldalelvételes kolonna 500 Qreb.(kW) 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 jellemzek. Az elemzések során arra voltam kíváncsi, hogy a konstrukciók közül melyeknél van szélsértéke energiafelhasználásnak, és hogy a betáplált oldat összetételének megváltoztatása milyen hatással van e szélsértékre. 33

41 Stacioner vizsgálat A vizsgálatok eredményeibl 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 egyenlnek vettem. Az osztott ter kolonna energiaforgalmát összevetettem egy azonos tányérszámú oldalelvételes kolonna energiaigényével, melybl kiderült, hogy az adott szétválasztási feladatot az osztott rendszer kisebb energia felhasználással képes megoldani. 34

42 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 megfelelen viselkedjen. Az osztott ter kolonna modellalkotása során az elz részben meghatározott paraméter kombinációt alkalmaztam. Így a modell paraméterei a következk: Tányérszám: 25 Betáplálási tányér: 13 Elvételi tányér: 13 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 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

43 Dinamikus vizsgálat 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

44 Dinamikus vizsgálat 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 megfelelen be tudtam állítani. Az elvételi kolonnába vezetett áramokat ebbl az egységbl 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 m 2. Hátadási tényezje 850 W/m 2 K Reflux tartály Ezt a tartályt Flash2 blokkal képeztem le. Ez az egység 1,05 bar nyomáson üzemel, 1 m magas 0,7 m átmérj és függleges helyzet tartály. Reflux szivattyú 1 kw. Ezt az egységet Pump blokkal képeztem le. A szivattyú bemen energiája Csszakaszok (CS1, CS2) 37