Desztilláció. Vegyipari és biomérnöki műveletek segédanyag Simándi Béla, Székely Edit BME, Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék

Átírás

1 Desztilláció Vegipari és biomérnöki műveletek segédanag Simándi Béla, Székel Edit BME, Kémiai és Körnezeti Folamatmérnöki Tanszék 1

2 A desztilláció altémakörei A desztilláció előfordulása az iparban, mintapéldák. Jelentősége a múltban a jelenben és a jövőben. Alapfogalmak. Gőz-foladék egensúl mérése és számítása. A egszerű szakaszos desztilláció és jellemző készüléke. Folamatos egensúli desztilláció és készülékei. A rektifikálás és készülékei. 2

3 A történelem korai desztillációi Desztillációs készülék az aleandriai korszakból Desztillációs készülék az arab korszakból 3

4 Szakaszos lepárló 1510-es ábrázolása eg német szabadállamból, Brunschweigből 4

5 Méretnövelés Olaszország, XVI. század 5

6 Rektifikálás (XIX. sz.) 6

7 Desztilláció az iparban Etanol előállítása Élelmiszeripar Vegipar Bioetanol Etanol = etil-alkohol Molekulatömege: 46 g/mol Összegképlete: C2H6O Szerkezeti képlete: CH3CH2OH Főbb tulajdonságok: színtelen, szobahőmérsékleten foladék halmazállapotú anag. Vízzel korlátlanul elegedik. eggakrabban fermentációval állítják elő, majd desztillációval töménítik. A vízzel minimális forráspontú azeotrópot képez. Térszerkezete: H H O H H H H 7

8 Desztilláció az iparban Etanol előállítása Kőolajipari elválasztások frakcionálás (további átalakítások után: üzemanagok, vegipari alapanagok pl. a műanagok előállításához, oldószerek pl festékipar számára, bitumen az útépítésekhez és még sok egéb termék) 8

9 Etanol előállítása Kőolajipari elválasztások Szennvíztisztítás Desztilláció az iparban Elsősorban nag oldószertartalmú ipari szennvizek Gázmosók vizei (lsd abszorpció) 9

10 A desztilláció múltja, jelene, jövője Két vag több illékon komponenst tartalmazó homogén foladékeleg legelterjedtebb elválasztási művelete. Az elválasztás alapja a komponensek eltérő forrpontja. Segédanag hozzáadását nem igénli, ezért körnezetkímélő, de az energiaigéne nag. Számos elválasztási feladatnál más elválasztó műveletekkel (még) nem helettesíthető. 10

11 Alapfogalmak - forráspont Forráspont: eg tiszta anag (eg komponensű anag) forráspontja adott nomáson jellemző az anagra. Tehát a forráspont függ: Az anagi minőségtől (több összetevő, azaz komponens esetén ezek aránától) És a nomástól. Nagobb nomáson a tiszta anagok forráspontja magasabb. Ennek oka, hog eg foladék (akár eg, tiszta komponens akár foladékeleg) akkor forr fel, ha a gőznomása (tenzió, foladékeleg esetén a parciális nomások összege) eléri a foladék felett uralkodó nomást. A víz magasabb hőfokon forr a tengerszinten mint a magas hegségekben, mert a légnomás a tengeszinten nagobb, mint a hegekben. 11

12 Alapfogalmak tenzió A tenzió (gőznomás) eg egkomponensű (tiszta) anag felett, a gőzterében, egensúli körülmének között mérhető nomás. A tenzió függ az anagi minőségtől és a hőmérséklettől. Minden anag tenziója nő a hőmérséklettel. A tenzió (p 0 ) és a hőmérséklet (T) közötti összefüggést az Antione-egenlettel (1888) írhatjuk le (A, B, C az adott anagra jellemző konstansok, T a hőmérséklet): lg p 0 A C B T 12

13 Alapfogalmak - illékonság Az az anag az illékonabb, amelik forráspontja eg adott nomáson alacsonabb. Ha eg foladékeleg forr, akkor (általános esetben) az illékonabb komponens dúsul a gőztérben, a foladékban pedig nagobb hánadban lesz a kevésbé illékon komponens. Több komponensű eleg esetén a j komponens illékonsága számszerűsíthető a gőzfázisban () és a foladékfázisban () mérhető moltört hánadosával j j 13

14 Alapfogalmak - Raoult és Dalton törvének Dalton-törvén Parciális nomásnak hívjuk azt a nomást, amel az adott gázhalmazállapotú komponens részesedése az össznomásból. Ezt fejezi ki a Dalton-törvén, ahol p j a j-edik komponens parciális nomása (Pa), j a j-edik komponens móltörtje a gőzfázisban P a rendszer össznomása (Pa). p j j P Raoult-törvén Ideálisnak tekinthető gakorlati szempontból eg eleg, ha bármel összetételnél (a teljes vizsgált hőmérséklettartománban) igaz az elegre a Raoult-törvén, ahol p 0 j a j-edik komponens tenziója (Pa) adott hőmérsékleten j a j-edik komponens móltörtje a foladékfázisban. p j p 0 j j 14

15 John Dalton( ) Fizikus és kémikus (New College, Manchester) Atomelmélet felelevenítése, atomsúl (D atom tömegegség) ( ) Dalton-törvén (1803) Egéb munkái: térfogatos analízis színvakság meteorológiai megfigelések az angol nelvtan elemei 15

16 Francoise-Marie Raoult ( ) Kémikus (kémia professzor, Sens lcée, PhD Párizsi Egetem) Oldatok fagáspontcsökkenése (molekulatömeg meghatározás) ( ) Oldatok tenziócsökennése, Raoult-törvén (1887) Egéb munkái: Volta-cella vizsgálata elektromos erő 16

17 Alapfogalmak forrpont-harmatpont és egensúli diagramok A diagramok megszerkeszthetőek mérési adatokból. A méréshez tartozó nomáson érvénesek. 17

18 Gőz-foladék egensúli adatok mérése A rendszert elektromos fűtéssel forrásba tartjuk. A nomásállandóságot biztosítjuk. A gőzfázist kerintgetjük, hog bizotsan beálljon az egensúl (az átbuborékoló gőz keveri a foladékot is). Mintát veszünk mind a gőz mind a foladékfázisból, meghatározzuk ezek összetételét. 18

19 Alapfogalmak forrpont-harmatpont és egensúli diagramok A diagramok megszerkeszthetőek mérési adatokból. A méréshez tartozó nomáson érvénesek. Ideális elegeknél jól számolhatóak egszerű modellekkel. Ideális eleg: Igaz a Raoult-törvén. Foladék fázisban is korlátlanul elegednek. Általában kémiailag közeli szerkezetűek, pl. szénhidrogének. 19

20 Egensúli adatok számítása ideális elegek esetén Az Antoine-egenlettel kiszámítjuk az eges komponensek tenzióit a két tiszta komponens forráspontja közötti, lehetőleg egenletesen felosztott hőmérsékleteken. 1-es az illékonabb komponens: p p 1 B1 A1 T C P 1 A Raoult-törvén igaz, kifejezhetjük a parciális nomást, de ismeretlen : 0 p és p p 1 p 2 p p 2 B2 A2 T C Az összenomás a parciális nomások összege: 2 20

21 p p p P P p P p Igaz a Dalton-törvén is, amivel az illékonabb komponens móltörtjét kifejezhetjük a gőzfázisban: p 1 p 2 P 0 1 p 1 p p 2 p p p P p p p P p p p P Azaz kiszámoltuk minden T értékhez az és összetételeket. 21

22 Forrpont-harmatpont és egensúli diagram közel ideális eleg Benzol Molekulatömege: 78 g/mol Összegképlete: C 6 H 6 Eg aromás gűrű alkotja. Főbb tulajdonságok: színtelen, jellegzetes szagú, szobahőmérsékleten foladék halmazállapotú anag. Vízzel nem elegedik. A kőolaj feldolgozása során állítják elő, majd desztillációval tisztítják. Korábban fontos oldószer volt, azonban rákkeltő hatása miatt korlátozták az alkalmazását. A benzin kis menniségben jelenleg is tartalmazza adalékanagként. Térszerkezete: Toluol=metil-benzol Molekulatömege: 92 g/mol Összegképlete: C 7 H 8 Főbb tulajdonságok: színtelen, jellegzetes szagú, szobahőmérsékleten foladék halmazállapotú anag. Vízzel nem elegedik. A kőolaj feldolgozása során állítják elő, majd desztillációval tisztítják. Sok esetben használják a benzol kiváltására. Térszerkezete: CH 3 Benzol-toluol eleg, atmoszférikus nomáson 22

23 Forrpont-harmatpont és egensúli diagram közel ideális eleg Benzol-toluol eleg, atmoszférikus nomáson 23

24 Nem ideális elegek forrpont-harmatpont görbéi és egensúli diagramja Nem ideális eg eleg, ha az azonos és eltérő molekulák közötti kölcsönhatás jelentősen különbözik. Ebben az esetben a Raoult-törvén nem igaz, a számítások során módosítások szükségesek. A T(), T(), () görbék aszimmetrikussá válnak. Minimális vag maimális forráspontú azeotrópok képződhetnek (az azeotróp összetételt adott nomáson desztillációval átlépni nem lehet) További információ: ajánlott irodalom. 24

25 Minimális forráspontú azeotróp izopropil-éter izopropanol atmoszférikus nomáson 25

26 Maimális forráspontú azeotróp aceton-kloroform eleg atmoszférikus nomáson 26

27 Minimális forráspontú heteroazeotróp eleg etil-acetát - víz eleg atmoszférikus nomáson 27

28 Üst. A duplafalú tartált általában gőzzel fűtik úg, hog a belsejében levő foladék folamatosan forrásban legen. Egszerű szakaszos desztilláció Kondezátor: a csövekben hűtővíz áramlik, a csövek hideg külső falán lekondenzál a pára. A vízszintes vonalon hegén álló háromszög foladékszintet jelől Desztillátum gűjtő tartál. A desztillátum a lekondenzált és összegűjtött pára. Kondenzedén. Csak a lekondenzált (foladék halmazállapotú) fűtőgőzkondenzátumot engedi ki a túlnomású 28 térből, a még használhatő fűtőgőzt nem.

29 (t) Egszerű szakaszos desztilláció (t) Hűtővíz BE Fűtőgőz BE Fűtőgőzkondenzátum KI Hűtővíz KI T3 T T2 T1 T0 A foladékfázis összetétele a desztilláció során folamatosan változik, de minden időpillanatban egensúli összetételű a felette levő gőzfázissal. Az üst hőmérséklete folamatosan emelkedik, ahog a visszamaradó anag forráspontja nő. A desztillátum 3 2 és a 1 maradék is folmatosan szegénedik az, illékonabb komponensben, ahog a desztillátum mennisége nő. t 23 1 időpillanat Átlagos D 29

30 Egszerű szakaszos desztilláció A pára mennisége V, ami megegezik desztillátum menniségvel (D). Mindenkori összetétele (illékonabb komp. moltört) amel egensúlban van az uganabban a pillanatban az üstben mérhető moltörttel. Kiindulási anagmenniség, 0. Illkonebb komp. moltörtje 0 A maradék mennisége t 1 időpillanatban, A desztillátum anagmennisge 1 Illékonabb komp. Moltörtje D (mol) összetételét az a maradékben illékonabb komponens 1 30 moltörtjével adjuk meg ( D )

31 Egszerű szakaszos desztilláció matematikai leírás Az egszerű egszerű szakaszos desztilláció matematikai leírásakor az alábbi egszerűsítő feltételezésekkel élünk: az üstben forrásban levő foladék és a belőle keletkező pára minden időpillanatban egensúlban van, a pára nem visz magával foladékcseppeket (a cseppelragadás elkerülhető, ha nem használnak túlzottan intenzív fűtést fontos a fűtési sebesség szabálozása), 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 differenciálegenleteket igénel az állandósult állapot hiána miatt, mint hog minden egszerű szakaszos művelet időben változó körülméneket jelent. 31

32 Egszerű szakaszos desztilláció matematikai leírás A Raleigh-egenlet és levezetése Írjuk fel az anag- és komponensmérleget eg elemi időegségre (nagon rövid időre), amit dt-vel jelölünk! A dt idő alatt dv menniségű, összetételű pára keletkezett (uganenni desztillátum, hiszen a lekondenzáltatott pára a desztillátum) és az üstben levő foladék mennisége is d-nivel csökkent. Az anagmérleg tehát: d dv d D 32

33 Egszerű szakaszos desztilláció matematikai leírás A Raleigh-egenlet és levezetése 2 V d ) d )( d ( V d d d d d V d d d 0 d d d 0 ) ( d d d d d d ln d a differenciális komponens-mérlegegenlet és kifejtése: hanagoljuk el a dd tagot és rendezzük 0-ra: behelettesítve az anagmérlegből, hog d=dv szeparáljuk a változókat 33

34 0 Egszerű szakaszos desztilláció matematikai leírás A Raleigh-egenlet és alkalmazása d ln ahol és az egmással egensúlban levő gőz- illetve foladékfázisbeli moltörtek, ameleket az egensúli diagramról lehet leolvasni; 0 a kezdeti (t 0 időpillanat) 1 a végső (t 1 ) időpillanatra vonatkozó érték; a foladék anagmennisége (mol) az üstben. Ha tehát ismert a kiindulási anagmenniség ( 0 ) és összetétel ( 0 ), valamint az előírt tisztaság ( 1 ) a Raleigh-egenlettel a maradék 34 mennisége ( 1 ) számolható.

35 Egszerű szakaszos desztilláció matematikai leírás A desztillátummenniség és -összetétel számítása Ismert már 0, 1, 0, 1 A teljes anag- és komponensmérlegből a keresett menniségek kifejezhetőek: D D D D D D az átlagosdesztillátumösszetétel ahol D 35

36 Az egszerű szakaszos desztilláció alkalmazása Egszerű szakaszos desztillációval elvileg bármekkora maradéktisztaság elérhető, de a gakorlatban csak kisebb mértékű tisztításra használják. Az ok gazdasági: a nag tisztasághoz a foladék jelentős részét el kell párologtatni, aminek jelentős az energiaigéne. Egszerű szakaszos desztillációnál a desztillátum összetétele mindig kisebb, mint a kiindulási eleggel egensúlban levő páráé és nagobb, mint a kiindulási elegé. Az illékonabb komponensből viszonlag nag tisztaságot csak több egmás utáni desztillációval lehet elérni (lsd. egensúli diagram és pálinkafőzés). Az egszerű szakaszos deszitllációt előszeretettel alkalmazzák kisebb léptékben, minél nagobb menniségeket kell desztillálni annál inkább a folamatos műveletek válnak gazdaságossá. 36

37 Folamatos egensúli desztilláció, flash desztilláció Eg egensúli fokozatnak megfelelő, állandósult állapotban üzemeltetett desztillációs művelet, A betáplálást részlegesen elpárologtatják. A keletkező foladék (a maradék) és a pára (desztillátum) egmással egensúlban vannak, azaz az és összetételek az egensúli görbe egetlen pontjának koordinátái. A forrási hőmérséklet a desztilláció alatt állandó. Készülék szempontból három különböző megoldása van. 37

38 Folamatos egensúli desztilláció állandó A betáplálás mólárama F. Összetétele F (illékonabb komp. moltört). Az állandósult állapot feltétele, hog a betáplálás is időben állandó legen. nomáson A pára mólárama V. Összetétele (illékonabb komp. moltört) amel időben állandó és egensúlban van az üstben mérhető (és az üstből távozó) moltörttel. Fűtőgőz betáplálás. A duplafalú tartál belső falán lekondenzál a fűtőgőz és íg melegíti a belső falat. A belső fal belső oldala hőt ad át a foladéknak, ami íg folamatosan forr. A maradékelvétel mólárama. Összetétele (illékonabb komp. moltört). Fűtőgőzkondenzátum elvétel kondenzedénen keresztül 38

39 Flash desztilláció nomáscsökkentéssel Foladék halmazállapotú betáplálás. Előmelegítő. Nomás alatt olan magas hőmérsékletre melegítjük a foladékot, hog még ne forrjon fel, de a nomáscsökkentés után már a forrpontja felett legen. Nomáscsökkentő szelep Pára Cseppleválasztó ciklon. A nomáscsökkentés hatására a forró foladék eg része elpárolog. A párából az el nem párolgott foladékcseppeket kiülepítjük, ez lesz a maradék. Maradék. 39

40 Folamatos egensúli desztilláció részleges kondenzáltatással Gőz halmazállapotú Betáplálás. Pára Részleges kondenzátor. A gőz halmazállapotú betáplálást annira lehűtjük, hog a kívánt összetételű foladék kondenzáljon le. Cseppleválasztó ciklon. A a hűtés hatására kivált foladékcseppeket párából kiülepítjük, ez lesz a maradék. Maradék. 40

41 A folamatos egensúli desztilláció matematikai leírása Anagmérleg V F Komponensmérleg V F F Fejezzük ki az -t az függvénében, majd ábrázoljuk az egenletet az egensúli diagramon! Az és értékek egensúli értékek, ezért a munkapontban az egensúli görbe eg pontja jelképezi. A munkapontot a kifejezett egenes és az egensúl görbe metszéspontja adja meg. V V F V V F V F V F F F F 41

42 A folamatos egensúli desztilláció matematikai leírása V F V F Az egenes meredeksége a maradék és a pára mólaránának arána. Ezeket mi állítjuk be a fűtés (esetleg hűtés) mértékével. ha V F F F V F F Tehát az egenest eg pontja és a meredeksége ismeretében ábrázolhatjuk. 42

43 A folamatos egensúli desztilláció matematikai leírása Folamatos egensúli desztillációval nem lehet tetszőleges tisztaságú párát és maradékot előállítani. 43

44 Folamatos egensúli desztilláció összefoglalás Ritkán használják önálló műveletként, mert csak korlátozott tisztaság érhető el. Eg elméleti fokozatnak megfelelő elválasztást lehet elérni. Nem ideális elegek esetében (pl. heteroazeotrópok) speciális esetben közvetlenül is alkalmazható. Egéb folamatos desztillációs elválasztásoknál, pl. rektifikálás, a visszaforraló üst folamatos egensúli desztillációnak tekinthető. 44

45 Folamatos rektifikálás Folamatos, állandósult állapotban végzett elválasztó művelet. Mivel folamatos művelet, jellemzően nag betáplálási áramok esetén gazdaságos. Elterjedten alkalmazzák az iparban (szénhidrogénipar; oldószerek tisztítása, visszanerése; ipari szennvizek tisztítása). Foladék-gőz egensúlon alapul. Az órán csak két komponensű rendszerekről esik szó, de a valóságban sok komponens (összetevő) lehet. Kétkomponensű elegnél az illékonabb komponens a gőzfázisban (majd a desztillátumban), a kevésbé illékon komponens a foladékfázisban (majd a maradékban) dúsul. A folamatos rektifikálást rektifikáló oszlopban végzik. 45

46 Folamatos rektifikálás = többszöri részleges elforralás illetve kondenzáltatás Alsó oszloprész Felső oszloprész 46

47 Rektifikáló oszlop Az oszlop eg hengeres kialakítású, leggakrabban fémből vag kisebb léptékben üvegből készült cső. Ezen belül helezkednek el a tánérok vag töltetek, amelek a felfelé haladó pára és a lefelé csorgó foladék intenzív érintkeztetését (keveredését) biztosítják. A rektifikáló oszlopba érkezik a betáplálás (F) és két anagáramot veszünk el, a desztillátumot (D) és a maradékot (W). Ahhoz, hog a felső oszloprészben is legen lefelé csorgó foladék, a kondenzátorban lekondenzáltatott pára (immár foladék) eg részét visszavezetjük az oszlop tetejére (ez a reflu). Az üstbe bevezetett foladék eg részét elforraljuk, és a keletkező párát az oszlop aljára vezetjük, íg biztosítjuk a felfelé szálló párát az oszlopban. 47

48 Rektifikálás - mérlegegenletek Teljes anagmérleg F DW A betáplálás (F), desztillátum elvétel (D) és a maradék elvétel (W) mind móláramban (pl. mol/s vag kmol/h) helettestíthetőek be. Komponensmérleg F F D D W Az összetételek moltörtben helettesítendőek be. W 48

49 A legfontosabb, egszerűen elvégezhető közelítő számítások Minimális elméleti tánérszám meghatározása: A minimális elméleti tánérszám az előírt elválasztásra jellemző. Minél nagobb ez a számérték, annál nehezebb a desztillációs feladat. A számításhoz (szerkesztéshez) a desztilláció nomásán érvénes egensúli diagram, valamint az előírt desztillátum- és maradékösszetétel szükséges. 49

50 A legfontosabb, egszerűen elvégezhető közelítő számítások Minimális elméleti tánérszám meghatározása: A minimális elméleti tánérszám az előírt elválasztásra jellemző. Minél nagobb ez a számérték, annál nehezebb a desztillációs feladat. A számításhoz (szerkesztéshez) a desztilláció nomásán érvénes egensúli diagram, valamint az előírt desztillátum- és maradékösszetétel szükséges. Minimális refluarán meghatározása 50

51 Rektifikálás refluarán, Refluarán: R=/D munkavonalak A reflu (), desztillátum elvétel (D) és mind móláramban (pl. mol/s vag kmol/h) helettestíthetőek be, íg a refluarán dimenzió nélküli. Az állandó moláris elpárolgás tétele alapján a pára illetve a foladék mólárama oszloprészenként állandó. 51

52 Rektifikálás állandó móláris túlfolás tétele Hívják még állandó moláris párolgás tételének vag ewis feltételnek is. Feltételezések: Az oszlop adiabatikusan működik (az oszlop jól van szigetelve, ezért nincs hőveszteség). A komponensek elegítésénél felszabaduló hő (elegítési hő) elhanagolható. Az oszlopban végbemenő felmelegedési és lehűlési entalpiaváltozások elhanagolhatók a párolgáshőhöz viszonítva. A komponensek moláris párolgáshője egenlő. Következmén: Foladék és páraáramok oszloprészenként állandóak 52

53 Rektifikálás refluarán, munkavonalak Az oszlopban a tánérokat egezménesen felülről lefelé számozzuk. Az adott tánért elhagó (egmással egensúlban levő) pára és foladékáramok indee a tánér száma. Az állandó moláris túlfolás tétele alapján: V 1 V... V 2 n V n 53

54 A komponensmérleg a felső oszloprészre: Rektifikálás felső munkavonal D n n D V 1 Anagmérleg a felső oszloprészre (uganez az egenlet írható fel a kondenzátorra is): D V Az n+1 -et kifejezve a komponensmérlegegenletből, és behelettesítve az anagmérlegegenletet: D n D n n D D D V D V 1 54

55 Rektifikálás felső munkavonal D n D n n D D D V D V 1 Helettesítsük be a refluaránt (R=/D): R R R D n n Az indeek elhagásával általánosítva megkapjuk a felső munkavonal egeletet, ami a tánérok közötti térben az egmás mellett elhaladó áramok összetétele között teremt kapcsolatot: 1 1 R R R D 55

56 Rektifikálás alsó munkavonal Hasonló módon felírhatjuk az anagés komponens-mérlegegenleteket az alsó oszloprészre is. A V és különbözteti meg a móláramokat az alsó oszloprészben a felső oszloprész V és mólaramaitól: ' V' W 'm V m1 W W 56

57 Rektifikálás alsó munkavonal W V ' ' W m m W V ' 1 Az -t kifejezve megkapjuk az alsó oszloprész munkavonalegenletét is: W m m V W V ' ' ' 1 W V W V ' ' ' 57

58 Rektifikálás refluarán, munkavonalak A refluarán ismeretében (mi szabálozzuk) a felső munkavonalat meg lehet szerkeszteni az egensúli diagramon. Az alsó munkavonal megszerkesztéséhez azonban ismernünk kell a betáplálás hőállapotát. A betáplálás hőállapota szabja meg, hog a felső oszloprészbeli (ismert) pára és foladék móláramoktól mennire tér el az alsó oszloprészbeli áramoktól. ' V ' W V ' W 58

59 q H F h F F Rektifikálás a betáplálás hőállapota, ahol H F az F összetételű telített gőz fajlagos entalpiája (J/mol), h F a betáplálás fajlagos entalpiája (J/mol), pedig az F összetételű eleg párolgáshője (J/mol). A betáplálás halmazállapota és h F q jellemzője forráspont alatti foladék, ún. hideg h F < H F 1 < q foladék forrponti foladék h F = H F -λ F q = 1 gőz és foladék keverék, q értéke h F = H F q r 0 < q < 1 megegezik a foladékhánaddal telített gőz h F = H F q = 0 túlhevített gőz h F > H F q < 0 59

60 Rektifikálás a betáplálás hatása a móláramokra q H F h F F Írjuk fel az anagmérleget a betáplálási tánérra: V F V A gőz foladék veges betáplálás esetén a foladékhánad (q) a lecsurgó foladékhoz, a gőzhánad (1-q) a felszálló gőzhöz adódik. qf V V ( 1q) F 60

61 Rektifikálás a betáplálás hőállapota F q q q A q ismeretében kifejezhető és megszerkeszthető a q-vonal. Vonjuk ki a felső munkavonal egenletét az alsó munkavonal egenletéből: W W D D V V ) ( ) ( W W W V V W V ' ' ' ' ' D D n D V V D V F F F q F q ) ( 1 F q q ) ( 1 F q F q V V ) 1 ( 61

62 A legfontosabb, egszerűen elvégezhető közelítő számítások Minimális refluarán meghatározása: Ahhoz, hog eg előírt desztillátum összetételt ( D ) elő lehessen állítani adott betáplálás összetétel ( F ) és hőállapot (q) mellett, a refluaránnak el kell érnie eg minimális értéket. 62

63 A legfontosabb, egszerűen elvégezhető közelítő számítások Minimális refluarán meghatározása: Ahhoz, hog eg előírt desztillátum összetételt ( D ) elő lehessen állítani adott betáplálás összetétel ( F ) és hőállapot (q) mellett, a refluaránnak el kell érnie eg minimális értéket. Elméleti tánérszám meghatározása: A felső és az alsó munkavonal megszerkesztése után, McCabe Thiele lépcsőszerkesztéssel. 63

64 McCabe-Thiele-féle lépcsőszerkesztés 1 D = D 0,8 0,6 0,4 D R 1 Felső munkavonal tg 6 R R q vonal q tg q Adott: Tehát: N elm =7 0,2 7 Alsó munkavonal R, q, w, D, F N elm =? w = w 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 w F D 64

65 Hűtővíz BE Hűtővíz KI REKTIFIKÁÁS 1 D = D 1 D 1 Desztillátum 0, D ,6 Betáplálás , , w = w 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 w F D Fűtőgőz BE Fenéktermék w Fűtőgőz kondenzátum KI 65

66 A legfontosabb, egszerűen elvégezhető közelítő számítások Minimális refluarán meghatározása: Ahhoz, hog eg előírt desztillátum összetételt ( D ) elő lehessen állítani adott betáplálás összetétel ( F ) és hőállapot (q) mellett, a refluaránnak el kell érnie eg minimális értéket. Elméleti tánérszám meghatározása: A felső és az alsó munkavonal megszerkesztése után, McCabe Thiele lépcsőszerkesztéssel. Minimális elméleti tánérszám meghatározása: A minimális elméleti tánérszám az előírt elválasztásra jellemző. Minél nagobb ez a számérték, annál nehezebb a desztillációs feladat. A számításhoz (szerkesztéshez) a desztilláció nomásán érvénes egensúli diagram, valamint az előírt desztillátum- és maradékösszetétel szükséges. 66

67 A legfontosabb, egszerűen elvégezhető közelítő számítások Minimális refluarán meghatározása: Ahhoz, hog eg előírt desztillátum összetételt ( D ) elő lehessen állítani adott betáplálás összetétel ( F ) és hőállapot (q) mellett, a refluaránnak el kell érnie eg minimális értéket. Elméleti tánérszám meghatározása: A felső és az alsó munkavonal megszerkesztése után, McCabe Thiele lépcsőszerkesztéssel. Minimális elméleti tánérszám meghatározása: A minimális elméleti tánérszám az előírt elválasztásra jellemző. Minél nagobb ez a számérték, annál nehezebb a desztillációs feladat. A számításhoz (szerkesztéshez) a desztilláció nomásán érvénes egensúli diagram, valamint az előírt desztillátum- és maradékösszetétel szükséges. Oszlopátmérő számítása: terhelési ténező segítségével. 67

68 Rektifikálás - terhelési ténező m s F G faktor v kg Pa 3 m P P P M R T P 1 2 G 0 N valós A terhelési ténező (F faktor ) meghatározza a gőz-foladék érintkeztetés hatásosságát. Függ a pára üres oszlopra vonatkoztatott áramlási sebességétől (v) és a pára sűrűségétől (ρ G ). A pára sűrűsége függ: átlagos moltömeg (összetétel!), hőmérséklet (mindig forrponti az oszlopban, azaz a nomás és az összetétel határozza meg), nomás. A nomás az oszlop tetejétől az alja felé nő. 68

69 Rektifikálás tánérhatásfok A működési tartomán az, ahol a görbék vízszintesek 69

70 Rektifikálás oszlopátmérő számítása Kiválasztunk eg olan terhelési ténező értéket (tartománt) amelnél az oszlop működése az optimális tartománba esik. 70

71 Rektifikálás tánérhatásfok A működési tartomán az, ahol a görbék vízszintesek 71

72 Rektifikálás oszlopátmérő számítása v F P 0 faktor Térfogatáram az oszlop tetején és alján R T V t V R T V V P D o V v A 4V v G V 2 D 4V 2 o D o 4 a Kiválasztunk eg olan terhelési ténező értéket (tartománt) amelnél az oszlop működése az optimális tartománba esik. A rögzített terhelési ténező mellett az oszlop tetején és az alján is kiszámítjuk az oszlopátmérőt (D 0 ). Olan átmérőt választunk amel mellett az oszlop összes tánérja megfelelő tartománban múködik. 72

73 A legfontosabb, egszerűen elvégezhető közelítő számítások Minimális elméleti tánérszám meghatározása: A minimális elméleti tánérszám az előírt elválasztásra jellemző. Minimális refluarán meghatározása: Ahhoz, hog eg előírt desztillátum összetételt ( D ) elő lehessen állítani adott betáplálás összetétel ( F ) és hőállapot (q) mellett, a refluaránnak el kell érnie eg minimális értéket. Elméleti tánérszám meghatározása: A felső és az alsó munkavonal megszerkesztése után, McCabe Thiele lépcsőszerkesztéssel. Oszlopmagasság számítása: tánéros oszlop esetében az oszlop aktív magasságát a valódi tánrészám és a tánértávolság segítségével számolhatjuk. Oszlopátmérő számítása: terhelési ténező segítségével. Oszlopmagasság számítása: tánéros oszlop esetében az oszlop aktív magasságát a valódi tánérszám és a tánértávolság segítségével számolhatjuk 73

74 Rektifikálás oszlopmagasság számítása Meghatározzuk szerkesztéssel az elméleti tánérszámot (N elm ). A tánérhatásfok (η tánér ) felhasználásával kiszámoljuk a valódi tánérok számát. Mindig felfelé kerekítünk. A tánérhatásfok függ: Tánér típusa (szerkezete) Nelm Nvalós A tánér terhelési ténezője (F faktor ). tánér 74

75 Rektifikálás tánérhatásfok A működési tartomán az, ahol a görbék vízszintesek 75

76 Rektifikálás oszlopmagasság számítása Meghatározzuk szerkesztéssel az elméleti tánérszámot (N elm ). A tánérhatásfok (η tánér ) felhasználásával kiszámoljuk a valódi tánérok számát. Mindig felfelé kerekítünk. A tánérhatásfok függ: Tánér típusa (szerkezete) N Nvalós A tánér terhelési ténezője (F terhelési ). A tánérok számát megszorozzuk a tánértávolsággal. H N valós H elm tánér 76

77 Főbb témakörök - tánéros oszlop Elméleti és valós tánérok Az üzemeltetés N min, R min meghatározása, a McCabe Thiele szerkesztés, hatásfok Gőzterhelés, F-faktor A tánéros oszlopok szerkezete, a tánérok működése 77

78 Harangsapkás tánér 78

79 Szitatánér 79

80 Szelepes tánér 80

81 Szelepes tánér működési elve G ő z G ő z G ő z 81

82 Rektifikálás töltött oszlopok Rendezetlen illetve rendezett töltetek lehetségesek. A rendezetlen töltet olcsóbb, de kisebb hatásfokú (azonos töltetmagassághoz lénegesen kisebb elválasztóképesség tartozik). A modern, rendezett töltetek laboratóriumi mérettől nagüzemi méretig elérhetőek. 82

83 Oszlopmagasság meghatározása 1. H N HETP HETP= Height Equivalent of Theoretical Plate Sulzer Mellapak töltet 83

84 Oszlopmagasság meghatározása 2. A McCabe-Thiele tánérszám számítás helett tötlött oszlopok esetén gakran használják az átviteli egségek fogalmát. Az átviteli egségek száma az NTU (Number of Transfer Units) Az átviteli egségek magassága a HTU (Height of Transfer Unit) Az alsó és felső oszloprészre külön-külön meghatározzák. A teljes oszlopmagasság az alsó és a felső oszloprészbe levő aktív töltetmagasság összege. H HTU a NTU a HTU f NTU f 84

85 Elméleti háttér V d K a A( ) d H V K a A m páraáram a felső oszloprészben (mol/s), anagátbocsátási ténező (mol/(m 2 s)), a töltet fajlagos felülete (m 2 /m 3 ), nedvesítési ténező (-), oszlopkeresztmetszet (m 2 ), az a hipotetikus koncentráció, amel a foladékfázissal egensúlban lenne (-). 85

86 Elméleti háttér - kétfilm elmélet m K 1 1 Ai m Ai ) ( Ai A A J ( A ) Ai A J Ai A A m J A Ai A J ( A ) A A K J ) ( ) ( Ai A Ai A m m m A Ai Ai A A m J 1 86

87 Oszlopmagasság számítása H A a K V d ) ( d D F f H A a K V H H d d 0 A a K V H d d A a K V HTU f D F f NTU d A a K V HTU a ' F W a NTU d 87

88 HTU számítása adott: F, R, q, F, D, W D W F D w F D W F D w D w F W F W D W F D W D F F W W F D D R V 1 A a K V HTU f F q V V 1 ' A a K V HTU a ' 88

89 NTU számítása 89

90 Rendezetlen töltetes oszlop 90

91 Rendezetlen töltetek / gűrűk Raschig-gűrű Pall-gűrű 91 Kaszkád gűrű

92 Rendezetlen töltetek / nergek Berl-nereg Intalo-nereg 92 Szuper intalonereg

93 További rendezetlen töltetek Hópehel Konjugált gűrű 93 essing-gűrű

94 További rendezetlen töltetek Kerámia golók Envipack gömb 94 Spirális töltet

95 Rendezett töltetes oszlop 95

96 Rendezett töltetek 96

97 Foladék elosztók 97

98 Töltet alátámasztások 98

99 Töltet lefogók 99

100 Összeszerelés 100 tonnás elem (fal + töltet) behelezése régi kolonna felújítása során. foladékelosztó összeszerelése fénképek: Sulzer kolonnafelújítás 100

101 Gazdasági optimum Csökken a szükséges oszlopmagasság (tánérszám) Jelentősen nő az oszlop átmérője 101

102 Gazdasági optimum Hűtés és fűtés költsége W W W F q D R F q V V Q 1 1 1) üst D D D R V Q 1 kond 102

103 Összefoglalás A rektifikálás a egik legnagobb léptékben alkalmazott művelet (kőolajfeldolgozás, gógszeripar, stb.). Tervezése, méretnövelése az anagátadó műveletek közül a legjobban számítható, modellezhető. Az oszlopok kialakítása rendkívül változatos, sokszínű. A tervezéshez a durva becsléstől a pontos optimalizálásig rendelkezésre áll az eszköztár és a szakcégek. 103

104 Ajánlott irodalom Vegipari műveletek 2. elektronikus tananag ( fejezetek gőz- foladék egensúlok fejezet desztilláció, rektifikálás alapjai fejezet a rektifikálás készülékei Vegipari és biomérnöki számolási gakorlat segédlete és a garkolat vonatkozó anaga ( 104