Modla G., Láng P., Kopasz Á. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészeti Eljárások Tanszék

Átírás

1 Új kolonna konfigurációk nyomásváltó sakasos destillációho. Megvalósíthatósági visgálatok New column configutations for ressure swing batch distillation. Feasibility Studies Modla G., Láng P., Koas Á. udaesti Műsaki és Gadaságtudományi Egyetem Gééseti Eljárások Tansék Summary bstrakt: Megvalósíthatósági visgálatokat végetünk különböő sakasos kolonna konfigurációkra nyomásváltó destillációra. sámításokat maximális sétválastást feltételeve végetük. jól ismertek (rektifikáló, sakasos strier, köéső tartályos oslo) visgálata mellett két új konfigurációra (kétkolonnás sakasos rektifikáló és a kétkolonnás sakasos strier) is javaslatot tettünk. Megvisgáltuk a rektifikálás és stielés időben váltakoó alkalmaását is.. eveetés destilláció a egyik leggyakrabban alkalmaott sétválastó eljárás a vegyiarban, mely a folyadékelegy komonensei illékonyságának különbségén alaul. Két aeotroot kéő komonens ( és ) sétválastásáho valamilyen seciális destillációs eljárást kell alkalmanunk, mint éldául nyomásváltó (NYVD), extraktív vagy heteroaeotro destillációt. sakasos destilláció (SZD) mindig is fontos sereet játsott a seonális, bionytalan, alacsony kaacitású illetve nagy tistaságú kémiai anyagok gyártásában. Ennek a műveletnek kulcsfontosságú seree van a gyógyser és sámos más iarban is, valamint a hulladék oldóser elegyek regenerálásában. sakasos destilláció legfontosabb előnye a folyamatossal semben, hogy egy egyserű berendeéssel is sokféle elegy keelhető. Még többkomonensű rendserek is sétválasthatók egyetlen osloban. Sok elegy kée aeotrookat, melyek össetétele eltolható a rendser nyomásának megváltotatásával, eek a nyomásérékeny aeotrook. Lewis (928) volt a első, aki javaslatot tett a aeotro elegyek nyomásváltó destillációjára. Et a eljárást ajánlotta még l. lack(980); bu-eshah és Luyben(985); Chang és Shis(989) is. Kna és munkatársai (992) kifejlestettek egy új eljárást, melyben a nyomásváltó folyamatos destillációt hordoó hoáadásával kombinálták. hordoó alkalmaása nagymértékben megnöveli a művelettel sétválastható binér aeotro elegyek sámát. Reke és munkatársai (2006) egy minimális forrontú homoaeotro elegy (acetonitril-ví) sétválastását visgálták nyomásváltó destillációval sakasos rektifikálás és stielés esetére. Félüemi mérések és résletes modelleő sámítások eredményeit köölték. serők célja sokkal inkább a nyomásváltó destilláció kísérleti tanulmányoása volt, mint a művelet megvalósíthatóságának kimerítő elméleti visgálata. fent említett serők egyike sem visgálta a maximális forrontú aeotrook sétválastását illetve a köétartályos oslo (KTO) alkalmaását.

2 Munkánk célja a kétkomonensű homoaeotro elegyek nyomásváltó destillációval (NYVD) történő sétválastása megvalósíthatóságának visgálata volt. jól ismert konfigurációk (rektifikáló, strier, KTO) visgálata mellett két új konfigurációra is javaslatot tesünk, eek a dula osloos sakasos rektifikáló (DOSZR), és a dula osloos sakasos strier (DOSZSZ). 2. Megvalósíthatósági visgálatok Elősör röviden ismertetjük a megvalósíthatóság visgálatára alkalmaott módsert, majd megvisgáljuk a különböő kolonna konfigurációk megvalósíthatóságát. 2. megvalósíthatósági módser megvalósíthatósági visgálatok során feltételetük a maximális (tökéletes) sétválastást. E a követkeő feltevésekből áll: -végtelen tányérsám, -igen magas reflux- és vissaforralási arány, -elhanyagolható folyadék hold-u a tányérokon, -elhanyagolható gő hold-u. módser a fejtermékek (folyamatos termékelvétel mellett) és a üstmaradék megvalósítható P össetételén alaul. Mivel csak kétkomonensű P elegyekkel foglalkounk a megvalósíthatósági P visgálatok P folyamán, hasnálhatjuk a y-x egyensúlyi diagramot (. ábra). Megvalósíthatósági tartományok helyett x egyensúlyi intervallumokról a x a 0 0 besélünk.( 0 terner elegyekkel x ellentétben a binér F x x F,S elegyek sétválasthatók a a x,s F egy F léésben,r,rtista komonenseikre sakasos kolonnában.) F,S FS F,S 0 F,R FS F,R. ábra NYVD megvalósíthatósági tartományai a, min. aeotro b, max. aeotro Kétfajta megvalósíthatósági intervallumot különbötetünk meg: - komonens megvalósíthatósági intervalluma (F vagy F ), minden olyan betálálás össetétel (), amelyből a megadott komonens - maximális sétválastás mellett - tista (fej- vagy fenék-) termékként gyártható. - binér sétválastás megvalósíthatósági intervalluma (F): minden olyan betálálási össetétel, amelyből - maximális sétválastás mellett - mindkét komonens gyártható tista termékként a adott nyomáson, vagy nyomásváltást alkalmava, aa két különböő nyomáson. binér sétválastás megvalósíthatóságának sükséges és elégséges feltételei a követkeők: (i) a két megvalósíthatósági intervallumnak legyen köös rése (a sétválastás megvalósíthatósági intervalluma) (ii) a betálálás össetétele ebbe a köös intervallumba essen. Megvalósíthatósági intervallumok különböő tíusú elegyek esetében a. Zeotro elegy ármilyen össetételű kétkomonensű betálálásból (0<<) gyártható tista mint fej- és tista mint fenéktermék. (F ) és (F ) komonensek megvalósíthatósági intervallumai megegyenek, és hossuk a lehető legnagyobb (0<<). / sétválastás megvalósíthatósági intervalluma sintén 0<<, tehát bármilyen össetételű betálálás sétválastható( a sétválastás megvalósíthatósági intervalluma lefedi a egés betálálási össetétel tartományt). b. Minimális forrontú aeotro elegy Fenéktermékként gyártható mindkét tista komonens (bármilyen nyomáson). dott nyomáson ( l. P ) a két komonens megvalósíthatósági intervallumát a aeotro ont, válastja el, tehát nincs köös résük(.a ábra): F : << F : 0<< Ha a nyomást P -re váltotatjuk, mindkét komonens megvalósíthatósági intervalluma eltolódik: F : << F : 0<< és köötti intervallumnak most már van köös rése (FS) a egyes komonensek megvalósíthatósági intervallumával. Eért tista és tista gyártható fenéktermékként P és P nyomáson sakasos strierrel vagy folyamatos

3 üemben. Sakasos rektifikálással csak aeotro össetételű folyadék nyerhető fejtermékként, valamelyik komonenst edig a üstmaradék tartalmaa tista formában. c. Maximális forrontú aeotro elegy ként gyártható mindkét tista komonens (bármilyen nyomáson). dott nyomáson (l. P ) a két komonens megvalósíthatósági intervallumát a aeotro ont, válastja el, tehát nincs köös résük (.b ábra): F : << F : 0<< Ha a nyomást P -re váltotatjuk, mindkét komonens megvalósíthatósági intervalluma eltolódik: F : << F : 0<< és köötti intervallumnak most már van köös rése (FS) a komonensek megvalósíthatósági intervallumával. Eért tista és tista gyártható fejtermékként P és P nyomáson sakasos rektifikálással vagy folyamatos üemben. Sakasos strieléssel csak aeotro össetételű folyadék vehető el, valamelyik komonenst edig a felső tartály tartalmaa tistán. 2.2 Különböő kolonna konfigurációk NYVD egy vagy kétkolonnás rendserrel valósítható meg. aeotro előfordulása miatt a két tista komonenst két különböő nyomáson kell gyártani Egy osloos rendser nyomásváltás csak időben oldható meg, eért, ahho hogy mindkét komonenst tistán megkajuk legalább két gyártási léés sükséges. két különböő nyomás alkalmaásáho hasnálhatjuk a, ugyanat a konfigurációt vagy b, két különböő konfigurációt. a, NYVD sakasos rektifikálóban vagy sakasos strierben betálálást (sarsot) a alsó (rektifikáló, 2.a ábra) vagy felső (strier, 2.b ábra) tartályba töltjük be. terméket folyamatosan vessük el felülről (rektifikáló) vagy alulról (strier) a termékgyűjtőbe. 2. ábra sakasos a, rektifikáló b, strier betálálás össetételétől és a aeotro tíusától függően a első (és további) termék elvételnél tista, tista vagy aeotro össetételű folyadékot kaunk (Függelék -2 (SZR) és 3-4 (SZSZ)). Ha valamelyik léésben a elvett termék aeotro, a követkeő léés előtt ki kell üríteni a (tá)tartályt és a aeotro terméket oda betölteni. Elmondható tehát, hogy minden eset megvalósítható: mind a minimális, mind a maximális forrontú aeotro elvileg sétválastható NYVD-val srier és rektifikáló alkalmaása mellet egyaránt, mivel mind a tista, mind a tista komonens gyártható mindként konfigurációval. Egy gyártási ciklus különböő nyomásokon (P és P ) végrehajtott két rektifikálási (SZR) vagy két strielési (SZSZ) léésből áll. ( első léést alacsonyabb (P L ), a másodikat magasabb nyomáson (P H ) végrehajtva.) Maximális sétválastás esetén a tista komonens kinyerése (egy ciklusra), függ: -a betálálási () és a aeotro össetételektől ( és ), -a ciklusban alkalmaott nyomások sorrendjétől (P, P vagy P, P ). két tista komonens együttes mennyisége a első ciklusra mol betálálásra vonatkotatva a mérlegsabályból sámítható: SW + SW xa xa x vagy x a a xa xa = + * + * Fmindkét xakomonens x x kinyerése a növeksik xa xa a ciklusok sámának növelésével. b. rektifikálás és a strielés kombinálása Ha van egy olyan oslounk, mely két tartállyal rendelkeik, egyik a fejnél a másik edig alul (3. ábra), kombinálni tudjuk a nyomásváltást a működési mód váltogatásával. berendeés egy

4 oslorésből (mely vagy rektifikáló vagy strier a műveleti lééstől függően), vissaforralóból és kondenátorból áll. termék-gyűjtő rektifikálásnál a felső és a követkeő léésben (strielésnél) a alsó tartály. 3.ábra rektifikálás és strielés kombinációja sétválastás csak abban a esetben megvalósítható, ha minden léésben a folyamatosan elvett termék aeotro. Minimális forrontú aeotro esetén a rektifikálás, maximális forrontú aeotro esetén a strielés a kedő léés. és köül valamelyik a tartályban marad tista termékként, és onnan a követkeő léés megkedése előtt el kell távolítani Kétosloos konfigurációk különböő nyomáson üemelő, két osloréssel megvalósított konfiguráció bitosítja at a lehetőséget, hogy egyserre gyártsuk a két tista komonenst. Elősör a köéső tartályos osloot, majd a két új konfigurációt visgáljuk meg. a, Köéső tartályos kolonna betálálást köéső tartályba töltjük be (4. ábra). termékeket folyamatosan vessük el a fejről illetve a fenékről. rektifikáló és strielő sakasokon különböő nyomást alkalmaunk. 4. ábra Köésőtartályos oslo rektifikáló és strielő sakasok illetve a köéső tartály nyomásától függően négy különböő megvalósítás lehetséges:.p RS >>P MV =P SS 2.P RS =P MV >>P SS 3.P RS =P MV <<P SS 4.P RS <<P MV =P SS megvalósíthatóság semontjából nincs jelentősége annak, hogy a tartály melyik kolonna sakas nyomásán üemel, eért gyakorlatilag nincs különbség a. és 2. eset, illetve a 3. és 4. eset köött. lehetséges termékeket és maradékokat a 5. és 6. Függelékben gyűjtöttük össe. Megállaíthatjuk, hogy a sétválastás nem megvalósítható, mivel minden esetben a termékek köül valamelyik aeotro össetételű, tehát nem tudunk egyserre tista és komonenst gyártani. Egyértelmű, hogy a tartályban lévő össetétel alakulása erősen függ a két termék móláramának arányától. Ugyanakkor megállaítható a is, hogy addig nem kaunk tista (vagy ) komonenst a (köéső) tartályban, míg valamelyik termék elvétel tista (vagy ). Össefoglalva elmondható, hogy a KTO nem hasnálható hatékonyan NYVD esetében. 2.3 Új sakasos kolonna konfigurációk KTO két különböő (egy rektifikáló és egy strielő) oslorésből álló konfigurációja nem bionyult megfelelőnek a binér NYVD-ra. Eután két új konfiguráció NYVD-ra való alkalmasságát visgáljuk meg, melyek egy köös tartályból és két aonos funkciójú (különböő nyomáson üemelő) oslorésből állnak:. Dula osloos sakasos rektifikáló (DOSZR) maximális forrontú aeotrookra. 2. Dula osloos sakasos strier (DOSZSZ) minimális forrontú aeotrookra Dula osloos sakasos rektifikáló maximális forrontú aeotrookra folyadékáramok lefelé haladnak a két rektifikáló osloban (5. ábra), és a alsó tartályban össekeverednek, mely a magasabb nyomáson (P H ) üemel. alacsonyabb nyomáson (P üemelő kolonnából érkeő folyadékot sivattyú juttatja a tartályba. tartályt elhagyó folyadékot két résre ostjuk. Mindkét ágban a magasabb nyomáson (P H ) üemelő hőcserélő található. alacsonyabb nyomású ágban elég csak réslegesen elárologtatni a folyadékot, mivel a sele miatti nyomásesés bitosítja a további (teljes) elárologtatást. nagynyomású ágban totális elárologtató van.

5 Maximális forrontú aeotro esetében a fejtermékek tista komonensek Dula osloos sakasos strier minimális forrontú aeotrookra két strielő kolonnából sármaó gő kondenátuma a alacsonyabb nyomáson üemelő felső tartályban keveredik össe. magasabb nyomáson üemelő kolonnából érkeő fejgő nyomását a kondenátor előtt egy seleel csökkentjük le. tartályt elhagyó folyadékot két ágra ostjuk sét. magasnyomású kolonna refluxát sivattyú segítségével juttatjuk a osloba (a reflux mindig túlhűtött folyadék). Mindkét kolonna alatt egy folyadék-elostó és egy totális elárologtató található. Minimális forrontú aeotro esetén a fenéktermékek lehetnek tista komonensek. Mindkét konfiguráció esetében a két tista komonens a két termék, ha a tartálybeli össetétel a két aeotro ont köé esik (a sétválastás megvalósíthatósági tartományába). E at jelenti, hogy a tartálybeli össetételt a művelet során mindvégig két aeotro össetétel köött kell tartani. Ha a betálálás össetétele ettől eltérő, egy olyan 0. léés végése is sükséges, melyben csak a egyik osloról vesünk el terméket addig, amíg a tartálybeli össetétel el nem éri a kívánt intervallumot. Olyan elvételi áramokat kell válastanunk, hogy a tartálybeli össetétel ne váltoon, és mindkét kolonna állandósult állaotban üemeljen a gyártás alatt. bemutatott konfigurációk a követkeő előnyökkel bírnak: -a / sétválastás egyetlen gyártási lééssel lehetséges, -a két kolonna árhuamosan üemel, így termikusan integrálhatók, -a két kolonna araméterei (átmérő, tányérsám) különböőek lehetnek (rugalmasság), -mindkét kolonna állandósult állaotban üemel, nincs időbeni nyomásváltás a folyamat során. 3. megvalósítható konfigurációk eredményei követkeőkben a (fej/fenék) termék(ek) (x w ) és a (felső/alsó) tartály maradékok (x VR ) össetételének alakulását visgáljuk a különböő konfigurációknál. maximális sétválastás mellett at feltételetük még, hogy a termékáram(ok) és a reflux- ill. vissaforralási arány időben állandóak (W=áll., R vagy R S =áll.), valamint a művelet kedetén a betálálás össetétele már a két aeotro ont köé esik. Elősör a csak egy oslorést (SZR (max. aeotrookra) vagy SZSZ (min. aeotrookra), aután a kettő kombinációja), majd a két oslorést (DOSZR (max. aeotrookra) vagy DOSZSZ (min. aeotrookra)) tartalmaó konfigurációkat visgáljuk. 3. Sakasos rektifikálás maximális vagy sakasos strier minimális forrontú aeotrook esetére Ha egy maximális forrontú aeotroot kéő elegyet válastunk sét SZR-ban vagy minimális forrontú aeotroot SZSZ-ben, váltakova tudjuk a tista komonenseket gyártani (7. ábra). Egy későbbi (k -adik) ciklusban -a léések időtartama rövidül (a egy ciklusban gyártott tista komonensek mennyisége (SW i,k ) - eel arányosan- sintén csökken), -a tartály-össetétel két aeotro ont köötti váltoása egyre gyorsabb les ( dx VR / dt értéke nő), a tartály hold-u csökkenése miatt. 7. ábra termék és a tartálybeli össetétel váltoása SZR (SZSZ), max. (min.) forrontú aeotrora 3.2 SZR és SZSZ kombinációja maximális ás minimális forrontú aeotrora Ha a 2.2. b fejeetben leírt módserrel válastunk sét egy elegyet, a két különböő konfigurációt egymás után alkalmauk. E a módser mind maximális, mind minimális forrontú aeotrookra

6 alkalmaható. kolonnákat elhagyó áramok (fejgő (y TV ) és fenék-folyadék (x L )) össetételének időbeni váltoása hasonló a két esetben (a 8. ábrán a minimális forrontú aeotrook sétválastását a árójeles, dőltbetűs rések jelentik). 8. ábra SZR-SZSZ fejgő és fenék folyadék össetételek alakulása max. (min.) forrontú aeotrookra. Váltakova tudjuk gyártani a két tista komonenst a fejen (fenéken) -tartály maradékként a strielő (rektifikáló) léésekben, -termékként folyamatosan a rektifikáló (strielő) léésekben. fenék-folyadék- (fejgő-)össetétel a két aeotro ont köött marad: - strielő (rektifikáló) léésben állandó (megfelel valamelyik aeotro össetételnek). - rektifikáló (strielő) léésben folyamatosan váltoik, és a léés végén eléri a adott nyomásáho tartoó aeotro össetételt. - léések időtartama rövidül (a ciklusban előállított tista termék mennyisége (SW i,k, vagy SR i,k ) csökken). - tartály-össetétel két aeotro ont köötti váltoása egyre gyorsabb les ( dx VR / dt értéke nő), a sétválastandó elegy mennyiségének (felsőés alsó-tartály hold-u) csökkenése miatt. felső tartályt minden strielési léés előtt fel kell tölteni (a első ciklusban a betálálással, a későbbiekben a előő rektifikálási léés maradékával), utána edig le kell üríteni egy (a. léés nyomásától függően vagy komonens tárolására solgáló) termék-tartályba. rektifikálási léések során a destillátumot folyamatosan gyűjtjük a ( vagy ) terméktartályba. 3.3 DOSZR maximális, DOSZSZ minimális forrontú aeotrookho Folyamatosan gyárthatjuk a tista és komonenseket (9. ábra) -DOSZR val destillátumként maximális forrontú aeotro elegyekből, -DOSZSZ rel fenéktermékként minimális forrontú aeotro elegyekből. 9. ábra termék- és tartály-össetételek alakulása DOSZR (DOSZSZ) max. (min.) forrontú aeotro elegy esetén. tartály össetétel állandó értéken tartható, eért a két kolonna állandósult állaotban üemelhet. művelet előrehaladtával a tartály hold-u folyamatosan csökken. Mivel maximális sétválastás a gyakorlatban nem valósítható meg, valóságos eremfeltételek melletti sámításokat is végetünk (Modla és mtársai, 2007). 4 Követketetések Tökéletes sétválastás feltételeése mellett, különböő sakasos oslo konfigurációkra a nyomásváltó destilláció megvalósíthatóságát visgáltuk binér elegyek esetére. különböő nyomásokat egymástól elválasthatjuk: - időben, egy oslorést (sakasos rektifikáló és strier), illetve - térben, két oslorésen (l. KTO) alkalmava. Megállaítottuk, hogy a köéső tartályos oslo (KTO) nem alkalmas a binér NYVD-ra. Két új konfigurációt is javasoltunk: a kétosloos sakasos rektifikálót (DOSZR) és a kétosloos sakasos striert (DOSZSZ). Eeknek a új rugalmas konfigurációknak sámos előnyük van: -a két termék árhuamosan gyártható, így csak egy gyártási léés van, -mindkét oslorés állandósult állaotban üemelhet, nincs időbeli nyomásváltás a folyamat során, -a két osloot termikusan csatolni lehet. Mind a maximális, mind a minimális forrontú aeotrook sétválastása lehetséges a strielés és a rektifákálás felváltva történő alkalmaásával is.

7 rodalom bu-eishah S.., Luyben W. L. Design and Control of Two-Column eotroic Column eotroic Distillation System, nd. Eng. Chem. Process. Des. Dev. 24, (985). lack C. Distillation Modelling of Ethanol Recovery and Dehydration Processes for Ethanol and Gasahol, Chem. Eng. Prog., 76, 78-85, (980). Chang T., Shih T. T. Develoment of an eotroic Distillation Scheme for Purification of Tetrahydrofuran, Fluid Phase Equilib., 52, 6, (989). Chemstations, CHEMCD User Guide (2005). Kna J. P. and M. F. Doherty new ressure swing-distillation rocess for searating homogeneous eotroic Mixtures, nd. Eng. Chem. Res., 3, , (992). Modla G. and P. Lang New column configurations for ressure swing batch distillation. Rigorous Simulation Results, DYCOPS2007. Perry R. H., D.W. Green, J.O. Maloney, Perry s Chemical Engineer s Handbook 7th edition, McGraw Hill, New York, (997). Lewis W. K. Dehydrating lcohol and the Like, U.S. Patent,,676,700, July 0, (928). Reke.J. U., Klein., ogle D., Wony G., Pressure Swing atch Distillation for Homogenous eotroic Searation,D&2006,London, Kösönetnyilvánítás: Munkákat a Orságos Tudományos Kutatási la (OTK, T-04984) és a Gadasági Versenykéesség Oeratív Program (KP, GVOP /3) támogatta.

8 Függelék megvalósítható termékek és maradékok a különböő léésekben..függelék. Sakasos rektifikáló min. aeotrookho (ndulás P -en) Léések/etá 0<<x <<x a a. (P ),.ciklus *2. (P ) *. (P ), *Ebben a léésben a előő léés fejtermékét töltjük a alsó tartályba. 2.Függelék. Sakasos rektifikáló min. aeotrookho a. ndulás P -en Léések/etá. (P ),.ciklus 2. (P ). (P ), b. ndulás P -n Léések/etá. (P ),.ciklus 2. (P ). (P ), 0<<x a 0<<x a, <<x a, <<x a << << << 3.Függelék. Sakasos strier min. aeotrookho a. ndulás P -en Léések/etá. (P ),.ciklus 2. (P ). (P ), b. ndulás P -n Léések/etá. (P ),.ciklus 2. (P ). (P ), 0<<x a 0<<x a <<x a, <<x a 4.Függelék. Sakasos strier max. aeotrookho (ndulás P -n) Léések/etá 0<<x <<x a a. (P ),.ciklus *2. (P ) *. (P ), *Ebben a léésben a előő léés fejtermékét töltjük a alsó tartályba. << << << 5.Függelék. KTO max. aeotrookho a. P SS =P, P RS = P Termék/et á 0<< <<x a << fenék termék

9 fejtermék b. P SS =P, P RS = P - Termék/et á 0<< <<x a << fenék termék fejtermék 6.Függelék. KTO min. aeotrookho a. P SS =P, P RS = P Termék/et á 0<< <<x a << fenék termék fejtermék b. P SS =P, P RS = P Termék/et á 0<< <<x a << fenék termék fejtermék