SZAKASZOS EXTRAKTÍV ÉS AZEOTROP DESZTILLÁCIÓ OPTIMÁLIS TERVEZÉSE

Hasonló dokumentumok
1. Bevezetés, a kutatás előzményei, célkitűzések A desztilláció a vegyiparban az egyik leggyakrabban alkalmazott művelet, melynek során a

Gépészeti Eljárástechnika Tanszék. Szakaszos rektifikálás mérés

Részletes szakmai jelentés a számú OTKA-projektről

Chloroform LP. Acetone. At the beginning: Chloroform+ Acetone+ Toluene in V. At the end: V is empty

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

doktori (Ph.D.) értekezés

Figure 1. Scheme of a double column batch stripper in open mode with thermal integration

Desztilláció: gyakorló példák

AZEOTROP ELEGYEK SZAKASZOS DESZTILLÁCIÓS SZÉTVÁLASZTÁSÁNAK TÖKÉLETESÍTÉSE

Kiegészítő desztillációs példa. 1. feladatsor. 2. feladatsor

Speciális módszerek szakaszos desztillációra

Figure 1. The scheme of a DCBS

Kulcsszavak: heteroazeotróp, szakaszos desztilláció, dinamikus szimuláció

Fiziko-kémiai módszerek a finomkémiai ipar hulladékvizeinek kezelésére

Technológiai hulladékvizek kezelése fiziko-kémiai módszerekkel a körforgásos gazdaság jegyében

ZÁRÓJELENTÉS Újtípusú félfolyamatos szétválasztó műveletek, OTKA T (4 év) Témavezető: Rév Endre

2. A vizsgált üzemeltetési módok

Azeotropokat tartalmazó terner elegy elválasztása szakaszos nyomásváltó desztillációval

SZAKASZOS REKTIFIKÁLÁS

ÚJ KÉTOSZLOPOS RENDSZEREK SZAKASZOS HETEROAZEOTROP DESZTILLÁCIÓRA

Gőz-folyadék egyensúly

8.8. Folyamatos egyensúlyi desztilláció

Folyamattan gyakorlat. 2017/ félév BME-KKFT Készítette: Stelén Gábor

8.9. Folyamatos rektifikálás vizsgálata félüzemi méretű rektifikáló oszlopon.

Speciális módszerek szakaszos desztillációra

Ph. D. ÉRTEKEZÉS TÉZISEI. Szanyi Ágnes

A kapacitás növelése és energiafelhasználás csökkentése ásványolajat desztilláló oszlopokon

Elválasztástechnikai folyamatok környezetközpontú tervezése és ipari alkalmazása. Tézisfüzet

8.9. Folyamatos rektifikálás vizsgálata félüzemi méretű rektifikáló oszlopon.

Terner elegyek szakaszos nyomásváltó desztillációs elválaszthatóságának vizsgálata

Többjáratú hőcserélő 3

Aceton abszorpciójának számítógépes modellezése

Szénhidrogén elegy rektifikálásának modellezése

Válasz opponensi bírálatra. Dr. Friedler Ferenc, MTA doktora Speciális módszerek szakaszos desztillációra

Extraktív heteroazeotróp desztilláció: ökologikus elválasztási eljárás nemideális

8.9. Folyamatos rektifikálás vizsgálata félüzemi mérető rektifikáló oszlopon.

UniSim Design. - steady state modelling - BME Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék Dr. Mizsey Péter, Dr. Benkő Tamás, Dr.

5. Az adszorpciós folyamat mennyiségi leírása a Langmuir-izoterma segítségével

- anyagmérlegek felírása a szakaszos üzemű berendezés teljes üzemidejére;

& A gyártásközi ellenrzés szerepe a szigorodó minségi követelményekben

Általános és szervetlen kémia Laborelıkészítı elıadás I.

Al-Mg-Si háromalkotós egyensúlyi fázisdiagram közelítő számítása

Desztillációs technológiák vizsgálata szénhidrogén elegy példáján

Az α értékének változtatásakor tanulmányozzuk az y-x görbe alakját. 2 ahol K=10

Mekkora az égés utáni elegy térfogatszázalékos összetétele

Könnyű olefinek desztillálása: propán-propilén frakcionálása polipropilén gyártás céljából

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

A 27/2012. (VIII. 27.) NGM rendelet (29/2016. (VIII. 26.) NGM rendelet által módosított) szakmai és vizsgakövetelménye alapján.

Folyamatirányítás. Számítási gyakorlatok. Gyakorlaton megoldandó feladatok. Készítette: Dr. Farkas Tivadar

MEMBRÁNKONTAKTOR ALKALMAZÁSA AMMÓNIA IPARI SZENNYVÍZBŐL VALÓ KINYERÉSÉRE

Alvin Kereskedőház Zrt. CIEMME oldószer regeneráló és eszköz mosó berendezések

Hulladékvizek környezetvédelmi szempontból történő kezelése fizikokémiai

Desztilláció. Tartalomjegyzék. A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából.

Töltött rektifikáló oszlopok vizsgálata

Oldószer tartalmú hulladékok feldolgozása, zöld oldószerek gyógyszeripari alkalmazhatósága

Folyamattan gyakorlat. BME-KKFT Készítette: Stelén Gábor

Válasz opponensi bírálatra

XII. MŰSZAKI BIZTONSÁGI

8. oldaltól folytatni

TECHNOLÓGIA SZENNYVÍZISZAPOK TPH TARTALMÁNAK CSÖKKENTÉSÉRE

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (limitációk) Fókusz Légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Az extrakció. Az extrakció oldószerszükségletének meghatározása

MŰANYAG HULLADÉK HASZNOSÍTÓ BERENDEZÉS

Gázégő üzemének ellenőrzése füstgázösszetétel alapján

Osztott ter rektifikáló kolonna modellezése és stacioner vizsgálata

Bevezetés. 1. ábra: Az osztott terű kolonna elvi sémája. A szétválasztási feladat

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (korlátok) Fókusz: a légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Hulladékból energiát technológiák vizsgálata életciklus-elemzéssel kapcsolt energiatermelés esetén Bodnár István

Arzénmentesítő berendezések technológiai lehetőségei

Az épületek monitoringjával elérhető energiamegtakarítás

Vegyipari Folyamatok Optimalizálása Matematikai Programozással

1. feladat Összesen 17 pont

Doktori (PhD) értekezés tézisei VÁLTOZÓ ELUENS ÖSSZETÉTELŰ SZIMULÁLT MOZGÓRÉTEGES (SMB) PREPARATÍV FOLYADÉKKROMATOGRÁFIÁS MŰVELET VIZSGÁLATA

A problémamegoldás lépései

1. feladat Összesen 8 pont. 2. feladat Összesen 18 pont

PhD DISSZERTÁCIÓ TÉZISEI

A mérnöki módszerek alkalmazásának lehetőségei a hő- és füstelvezetésben

Víz. Az élő anyag szerkezeti egységei. A vízmolekula szerkezete. Olyan mindennapi, hogy fel sem tűnik, milyen különleges

Dinamikus modellek felállítása mérnöki alapelvek segítségével

Folyamattan gyakorlat Alapok. 2017/ félév BME-KKFT Készítette: Stelén Gábor

2. Technológiai rendszerek- Sisteme de producţie

1. feladat Összesen: 8 pont. 2. feladat Összesen: 11 pont. 3. feladat Összesen: 7 pont. 4. feladat Összesen: 14 pont

TANTÁRGYI KÖVETELMÉNY Élelmiszeripari gépészmérnök szak, gépész szakirány, III. évf. I. félév. 2004/2005. tanév

Tudományos és Művészeti Diákköri Konferencia 2010

Kutatási beszámoló február. Tangens delta mérésére alkalmas mérési összeállítás elkészítése

Két szóból kihoztuk a legjobbat... Altherma hibrid

A 27/2012 (VIII. 27.) NGM rendelet (12/2013 (III.28) NGM rendelet által módosított) szakmai és vizsgakövetelménye alapján.

DIPLOMADOLGOZAT. Szabó László

A 27/2012 (VIII. 27.) NGM rendelet (29/2016 (VIII.26) NGM rendelet által módosított) szakmai és vizsgakövetelménye alapján.

Olefingyártás, benzin pirolízis

Cég név: Készítette: Telefon:

A felelős üzemeltetés és monitoring hatásai

0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 Q

A szén-dioxid megkötése ipari gázokból

MOSOGATÓGÉPEK A halk működés alapkövetelmény

MÉRÉSI JEGYZŐKÖNYV. A mérési jegyzőkönyvet javító oktató tölti ki! Kondenzációs melegvízkazám Tanév/félév Tantárgy Képzés

Szakmai önéletrajz. Személyes adatok: Tanulmányok, munkakörök: Nyelvtudás:

IV. Pervaporáció 1. Bevezetés

Közel nulla energiafelhasználású épületek felújításának számítási módszerei (RePublic_ZEB projekt)

Átírás:

BUDAPESTI MŰSZAKI ÉS GAZDASÁGTUDOMÁNYI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR DOKTORI TANÁCSA DOKTORI TÉZISFÜZET Kótai Barnabás okleveles gépészmérnök SZAKASZOS EXTRAKTÍ ÉS AZEOTROP DESZTILLÁCIÓ OPTIMÁLIS TEREZÉSE című témakörből, mellyel a PhD fokoztat elnyeréséért pályázik Budapest 2008

Tézisfüzet - Szakaszos extraktív és azeotrop desztilláció optimális tervezése 2 Bevezetés és a kutatás előzményei A Gépészeti Eljárástechnika Tanszéken a speciális desztillációs módszerek területén folytatott kutatásokba 1999-ben kapcsolódtam be. A szakaszos desztillációs módszerekkel ekkor Dr. Láng Péter (későbbi témavezetőm) és dr. Modla Gábor foglalkoztak. Mindketten vegyészmérnökök, személyemmel egy gépészmérnök is bekerült a csapatba. Doktori tanulmányaim megkezdése (2002) előtt a témában szakdolgozatot, két TDK dolgozatot (2 kari I. díj, OTDK I. díj, Határon Túli Magyarok TDK konferenciája II. díj) és diplomamunkát (mellyel elnyertem a ProProgressio alapítvány diplomaterv díjját) készítettem. 2005-ben 3 hónapot töltöttem a franciaországi INP ENSIACET egyetem Laboratoire de Génie Chimique tanszékén, ahol szakaszos heteroazeotrop desztillációs szétválasztás optimalizálásával foglalkoztam. Az azeotropot képező és a kis relatív illékonyságú elegyek hatékony és gazdaságos szétválasztása gyakori probléma a vegy- és élelmiszeriparban. Az ilyen elegyek nagy tisztaságban történő szétválasztása komponenseikre hagyományos desztillációs módszerekkel nem lehetséges. Megoldást jelentenek a speciális desztillációs módszerek, amelyek közül doktori munkámban elsősorban a szakaszos extraktív desztillációval (SZED) foglalkoztam. Amikor kis anyagmennyiséget kell szétválasztani és a betáplálás jellemzői gyakran változnak, a szakaszos üzemmód eredményesebben alkalmazható, mint a folyamatos. Az extraktív desztilláció egy olyan hatékony szétválasztó művelet, melynek során az azeotropot képező vagy kis relatív illékonyságú elegyet egy szétválasztó ágens (szolvens) segítségével választjuk szét. A szolvens a gőz-folyadék egyensúlyi viszonyokat kedvezően változtatja meg, letöri az azeotropot. A SZED egyszerre nyújthatja a szakaszos és az extraktív desztilláció előnyeit. A szigorodó környezetvédelmi előírások, és az emelkedő energiaárak mellett egyre nagyobb jelentőséggel bír a desztillációs szétválasztások optimális tervezése és üzemeltetése. A környezetvédelem szempontjából igen fontos az eddig gyakran égetéssel megsemmisített hulladék folyadékelegyek (melyek gyakran tartalmaznak azeotropokat) regenerálási módszereinek kidolgozása. Az extraktív desztillációs üzemmódra egy hagyományos szakaszos kolonna igen könnyen alkalmassá tehető. Ehhez csak egy újabb folyadékbetáplálási hely kialakítására van szükség az oszlopon, valamint egy a szolvensbetáplálást biztosító szivattyúra. A hulladék oldószer elegyekből az értékes komponens(ek) visszanyerése gazdasági szempontból is igen előnyös lehet. A szakaszos desztilláció igen energiaigényes művelet, így a geometriai és műveleti paraméterek helyes megválasztásával, optimalizálásával jelentős energia-megtakarítás érhető el.

Tézisfüzet - Szakaszos extraktív és azeotrop desztilláció optimális tervezése 3 Kutatásaim célja az extraktív desztilláció szakaszos üzemmódban történő megvalósításának és hatékonyságának vizsgálata volt egyszerűsített és részletes modellező számításokkal, valamint laboratóriumi és üzemi kísérletekkel. izsgálatokat végeztem az iparban eddig egyedül elterjedt szakaszos rektifikáló mellet nem hagyományos kolonna konfigurációkra is. égső célom a minimális és maximális forrpontú azeotrop, valamint a kis relatív illékonyságú elegyek szakaszos desztillációs szétválasztására alkalmas, az iparban gazdaságosan megvalósítható eljárások kidolgozása volt. A szakaszos extraktív desztilláció (SZED) megvalósíthatóságát és hatékonyságát több kolonna konfigurációban (szakaszos rektifikáló (2.a. ábra), szakaszos sztripper, középső tartályos oszlop) is megvizsgáltam. A berendezés totális kondenzátort, N db. elméleti tányért és üstöt tartalmaz. A szolvensbetáplálási tányér (f) feletti (f=1, 2 f-1) tányérok alkotják a rektifikáló zónát. A szolvensbetáplálási tányér, az alatta lévő (f N) tányérok és az üst képezik az extraktív zónát. A SZED kolonna modell legfontosabb jellemzője a hagyományos szakaszos rektifikálóhoz képest, hogy az oszlopba oldalsó folyadékbetáplálás történik. izsgálati módszerek A szakaszos extraktív és azeotrop desztilláció műveletét számítógépi modellezéssel (megvalósíthatósági vizsgálatok ill. részletes modellezés) és kísérletekkel (laboratóriumi ill. üzemi) vizsgáltam. A megvalósíthatósági vizsgálatokat az erre a célra kifejlesztett programmal végeztem, amely többek között képes terner elegyek maradékgörbéinek, rektifikáló és extraktív profiljainak számítására és a görbék háromszög diagramban való ábrázolására. A számítások a következő egyszerűsítő feltételezéseken alapultak: - elméleti tányérok, - az üst kivételével a holdup elhanyagolható, - állandó moláris párolgás, - kvázi-stacionárius állapot a kolonnában. A SZED megvalósíthatósága azt jelenti, hogy az adott összetételű sarzsot (x ch ) feldolgozva, a művelet során az előírt desztillátumösszetételt (x D,spec ) el tudjuk érni az általunk rögzített műveleti paraméter értékek, az adott áramú és összetételű oldószer betáplálása mellett. A megvalósíthatóság szükséges és elégséges feltétele, hogy legyen legalább egy olyan kolonna koncentrációprofil, amely az üst nyomvonalát az x D,spec ponttal összeköti. A kolonna

Tézisfüzet - Szakaszos extraktív és azeotrop desztilláció optimális tervezése 4 koncentrációprofilja egy extraktív és egy rektifikáló profilból áll. A szakaszos extraktív desztillációs szétválasztás akkor megvalósítható, ha az üst-nyomvonal legalább egy pontja az x D,spec ponton átmenő rektifikáló profil valamelyik pontjával egy extraktív profillal összeköthető. A részletes modellező számításokat a Chemstations Inc. ChemCad 5 professzionális folyamatszimulációs programjával végeztem. Az alkalmazott modell-egyenletek nemlineáris differenciál egyenletek, valamint algebrai egyenletek. A program BATCHCOLUMN modulját használtam (hagyományos vagy extraktív) desztilláció szakaszos rektifikálóban történő modellezésére. A modul nem alkalmas, az ipari megvalósítás szempontjából igen fontos, felfűtési szakasz modellezésére, a számításokat a felfűtés végi stacioner állapotból indítja. A szétválasztás lépéseit előre definiálnunk kell, és szabályozó körök beépítése sem lehetséges. Amikor a szakaszos rektifikálótól eltérő kolonna konfigurációkat vagy a felfűtést akartam vizsgálni, akkor a ChemCad dinamikus szimulátorát a CCDYNAMICS programot használtam. A részletes modellező számítások során a következő egyszerűsítő feltételeket alkalmaztam: - elméleti tányérok, - elhanyagolható gőz hold-up, - állandó térfogati folyadék hold-up (kivétel a tartály(ok)ban), - az anyagáramok változása késés nélkül végigfut az oszlopon (csak a BATCHCOLUMN modul alkalmazása esetén). Itt már figyelembe vesszem a tányér holdup-okat és a hőmérlegeket, valamint nem kötöm meg a desztillátum összetételét, mint a megvalósíthatósági vizsgálatok során. A laboratóriumi és üzemi kísérleteket a Richter Gedeon Nyrt. gyógyszergyár dorogi oldószerregeneráló üzemében végeztük. A laboratóriumi desztilláló berendezés (1. ábra) egy 2 literes (400 W teljesítménnyel fűthető) üsttel rendelkező (1500 mm magasságú) PROPAK rendezetlen töltetet tartalmazó 50 mm belső átmérőjű üvegkolonna. Ezt tettük alkalmassá extraktív desztilláció elvégzésére is. A hőmérsékletet 5 különböző helyen mértük és a szétválasztandó elegyek és a termékek összetételét analízissel meghatároztuk. Az ipari kolonna 50 buboréksapkás tányért tartalmaz és belső átmérője 1.25 m. A visszaforraló térfogata 25 m 3 melyet 5 bar-os vízgőzzel fűtöttünk. A szolvens nem volt előmelegítve. A fej- és fenékhőmérsékleteket regisztráltuk.

Tézisfüzet - Szakaszos extraktív és azeotrop desztilláció optimális tervezése 5 1. ábra. A dorogi laboratóriumi desztilláló berendezés sémája

Tézisfüzet - Szakaszos extraktív és azeotrop desztilláció optimális tervezése 6 Új tudományos eredmények A szakaszos extraktív desztilláció, mint hibrid művelet: minimális forrpontú azeotropok szétválasztása [1], [2], [6], [8], [10] A szakaszos extraktív desztillációt (SZED) összehasonlítottam megvalósíthatósági vizsgálatokkal és részletes modellezéssel a hibrid művelettel (abszorpció + desztilláció), melyet Stichlmair és Fair Distillation Principles and Practices című könyvükben (Wiley- CH, New York, 1998) minimális forrpontú azeotrop elegy szétválasztására javasolnak. A SZED és hibrid kolonna modellje a 2. ábrán látható. Kondenzátor Kondenzátor Rektifikáló zóna E-betáplálás E-betáplálás Extraktív zóna Desztillátumgyűjtő tartály Extraktív zóna Desztillátumgyűjtő tartály isszaforraló isszaforraló 2. ábra. Kolonna modell a. SZED b. hibrid művelet Hibrid művelet (2.b. ábra) esetén - a szolvenst (E) a kolonna legfelső tányérjára vezetjük be, így az oszlop csak egy abszorpciós (extraktív) zónát tartalmaz, - nincs külső reflux (R=0), - és a szolvens erősen túlhűtött folyadék. A számításokat a minimális forrpontú aceton metanol ill. etanol víz elegyekre végeztem, nehéz szolvensként vizet ill. etilénglikolt alkalmazva.

Tézisfüzet - Szakaszos extraktív és azeotrop desztilláció optimális tervezése 7 1. tézis Megvalósíthatósági vizsgálati módszerünket tovább fejlesztettem és alkalmassá tettem hibrid szakaszos extraktív desztilláció megvalósíthatóságának vizsgálatára, figyelembe véve a betáplálás hőállapotát is. Az üst-nyomvonal az anyagmérlegekből, míg a rektifikáló és extraktív profilok az alábbi differenciál-egyenlettel számíthatók: * ( y y ) dx = dh L ahol a moláris gőzáram az adott kolonna szakaszban, L a folyadékáram az adott kolonna szakaszban, h dimenziómentes magasság, y* az x-el egyensúlyban lévő gőz összetétel, y az adott kolonna szakasz munkavonal egyenletével x-ből számított gőz összetétel. A /L arány értéke és az y(x) függvény a különböző szakaszokra: - rektifikáló zóna: L Rint + 1 R +1/ qr Rint 1 = = és y = x + x D R R R + R + 1 int ahol R int a belső refluxarány (R int =q R R, ahol q R a reflux hőállapota), - extraktív zóna: L = R int R + R int + F + int 1 F q ahol q a szolvesbetáplálás hőállapota és D F L = + 1. és y = int L 1 int x + D x D F z A hibrid művelet esetében nincs rektifikáló zóna és R int =0, így: 1 = L F ill. q D ( q 1) F = 1.

Tézisfüzet - Szakaszos extraktív és azeotrop desztilláció optimális tervezése 8 2. tézis Megvalósíthatósági vizsgálatokkal meghatároztam a műveleti paraméterek szélső értékeit. A hibrid művelet esetén a két legfontosabb műveleti paraméter: - a szolvensbetáplálás hőállapota (q) és - a szolvensbetáplálás és az extraktív zóna gőz móláramának aránya (F/). E paraméterek értékétől nagymértékben függ a művelet megvalósíthatósága. Ezek szélsőértékeit az alábbiak szerint határoztam meg. A szolvensbetáplálás hőállapotának minimális értéke, az oszlop fejében állandó koncentrációjú ( pinch ) zónát feltételezve: q 1 1) x min = + ( α A, E D, E A fentiekből látható, hogy minél kisebb - a legillékonyabb komponens (A) szolvensre (E) vonatkoztatott relatív illékonysága (α A,E ) és/vagy - a desztillátumban megengedett E-koncentráció (x D,E ), annál nagyobb q minimális értéke. A szolvensbetáplálás hőállapotának és móláramának maximális értékeit megszabó kényszerek: adott F/ érték esetén, és q < 1 F / F 1 < q 1 adott q érték esetén. A szolvensbetáplálási áramnak a SZED-hez hasonlóan van minimális értéke is. Létezik egy fiziko-kémiai kényszer is, miszerint a szolvens betáplálási hőmérsékletének magasabbnak kell lennie E fagyáspontjánál (T fp,e ). Eszerint a betáplálás hőállapotának maximális értéke: q max ahol c p,mol,e a szolvens mólhője, c = 1+ p,mol, E ( T + 1 bp, E λ E T 1 fp, E )

Tézisfüzet - Szakaszos extraktív és azeotrop desztilláció optimális tervezése 9 λ E T bp,e a szolvens moláris párolgáshője, a szolvens forrpontja. Megállapítottam, hogy a hibrid művelet szempontjából előnyös, ha a szolvens - mólhője magas, - moláris párolgáshője alacsony és - forrpontja és fagyáspontja közötti különbség nagy. 3. tézis A hibrid művelet hatékonyságának részletes modellezéssel történő vizsgálata során rámutattam arra, hogy a kolonna legfelső tányérjára betáplált túlhűtött szolvens áramának (F) növelése a desztillátumáram megszűnéséhez vezethet. Ennek oka, hogy a szolvens áramának növelésével a visszaforralóba bevitt változatlan fűtési teljesítmény mellett egyre kevesebb fejgőz állítható elő, mivel az 1. tányérra érkező túlhűtött szolvens az odaérkező gőz egyre nagyobb hányadát kondenzálja. Ez a jelenség a hagyományos szakasos rektifikálásnál gyakorlatilag nem, a szakaszos extraktív desztillációnál mivel a szolvenst nem kell túlhűteni sokkal ritkábban jelentkezik. A desztillátum áramának változását a szolvensáram növelésének hatására az aceton metanol + víz elegyre a 3. ábra mutatja. A desztillátum átlagos árama, mol/h 70 60 50 40 30 20 10 0 600 650 700 750 800 850 900 Szolvensáram, mol/h 3. ábra. A szolvensáram hatása a desztillátum átlagos áramára

Tézisfüzet - Szakaszos extraktív és azeotrop desztilláció optimális tervezése 10 4. tézis Összehasonlítottam a hibrid művelet és a szakaszos extraktív desztilláció (SZED) energiafogyasztását és szolvens veszteségét a teljes műveletre, beleértve a szolvens regenerálását is. Először mindig a SZED folyamatát szimuláltam, majd a hibrid művelettel próbáltam gyártani a SZED-del elért tisztaságú és mennyiségű terméket. Az etanol (A) víz (B) + etilénglikol (E) elegyre a teljes energiafogyasztást (SQ = SQ F + SQ N+1,1 + SQ N+1,2 + SQ N+1,3 ) az A/B szétválasztás (SQ N+1,1 ), a B/E szétválasztás (SQ N+1,2 ), az A/E szétválasztás (SQ N+1,3 ) energiaigényét, (SZED esetén) a szolvens előmelegítéséhez szükséges energiát (SQ F ), a szolvens mennyiségét (SF) és veszteségét (ΔSF) az 1. táblázat tartalmazza. 1. táblázat. A SZED és a hibrid művelet összehasonlítása SQ SQ F SQ N+1,1 SQ N+1,2 SF ΔSF MJ MJ MJ MJ dm 3 mol mol SZED 20.76 2.77 17.77 0.22 6.58 118.6 15.0 Hibrid művelet 26.24-25.16 1.08 35.88 646.9 29.8 Megvizsgáltam még a szolvens regenerálás tisztasági követelmény változtatásának hatását is az energiafogyasztásra és a szolvens veszteségre (2. táblázat). 2. táblázat. A tisztasági követelmény hatása a szolvens regenerálásra SZED Hibrid művelet x B,E,átl SQ, MJ SQ N+1,2, MJ ΔSF, mol SQ, MJ SQ N+1,2, MJ ΔSF, mol 0.99 20.76 0.22 15.0 26.24 1.08 35.9 0.999 21.79 1.25 32.0 30.88 5.72 105.9 A vizsgálatok alapján megállapítottam, hogy a hibrid művelet minden vizsgált szempontból rosszabb eredményeket adott: - hibrid művelet esetén a teljes energiafogyasztás és a szolvens veszteség is magasabb volt, - az A-gyártó lépés végére a visszaforralóban a folyadéktérfogat óriási mértékben megnövekedhet, míg SZED esetén folyamatosan csökkent,

Tézisfüzet - Szakaszos extraktív és azeotrop desztilláció optimális tervezése 11 - a szolvens regenerálás tisztasági követelményének növelésével a regeneráló lépés energiafogyasztása és a szolvens veszteség a hibrid műveletnél nagyobb mértékben emelkedett, mint a SZED-nél. Azeotrop elegyek szétválasztása középső tartályos oszlopban [3], [4], [7], [9], [12] A középső tartályos oszlop (KTO) működésének és a használt ChemCad folyamatszimulátor dinamikus modelljének pontosabb megismerése érdekében először egy ideális terner elegy szétválasztását vizsgáltam szakaszos rektifikálóban, szakaszos sztripperben és KTO-ban. Ezután egy minimális, majd egy maximális forrpontú azeotrop elegy a KTO folyadék by-pass változatában történő szétválasztását is tanulmányoztam és az eredményeket összehasonlítottam a szakaszos rektifikálóval kapottakkal. A vizsgálatokhoz a ChemCad dinamikus szimulátorát használva létrehoztam a KTO modellt, melyet a maximális forrpontú aceton (A) kloroform (B) + toluolt (E) azeotrop elegy szétválasztására a 4. ábra mutat. 4. ábra. A KTO folyadék by-pass változatának modellje max. forrpontú azeotrop elegy szétválasztására

Tézisfüzet - Szakaszos extraktív és azeotrop desztilláció optimális tervezése 12 5. tézis Az irodalomban elsőként a teljes szétválasztási ciklusra meghatároztam a szétválasztás lépéseit, valamint az egyes lépésekben az összes szabadon választható műveleti paraméter értékét. Egy ciklus az A és B komponensek előírt tisztaságban történő gyártását és a szolvens regenerálását tartalmazza. A maximális forrpontú azeotrop elegy szétválasztásának lépései: 0. Kis mennyiségű szolvens (E) hozzáadása az azeotrop sarzshoz. 1. Felfűtés termékelvétel és E-adagolás nélkül (R=, F=0 és KTO esetén R S = ). 2. A-gyártás a desztillátumban folyamatos E-betáplálás mellett és folyamatos fenéktermék elvétellel (L M D, W=F). 3. A desztillátum tisztítása R= és F=0 mellett (L M =0, W=0). 4. B-gyártás (a desztillátumban) R< és F=0 mellett (L M D+W). 5. A és B eltávolítása közbenső párlatként csökkentett R és F=0 mellett. (R refluxarány, R S visszaforralási arány, F szolvensbetáplálás árama, L M a középső tartányból kilépő folyadék árama, W fenéktermék árama). A szakaszos extraktív desztilláció egy ipari alkalmazása [5], [11], [13] A szakaszos extraktív desztillációt 2005-ben a Richter Gedeon Nyrt. gyógyszergyár dorogi oldószerregeneráló üzemében is bevezették. Az aceton (A) metanol (B) etanol víz gyógyszeripari hulladék oldószer elegyből nagy tisztaságú és jelentős mennyiségű acetont nyertek vissza szakaszos extraktív desztillációval, szolvensként vizet használva. A SZED ipari alkalmazása előtt számítógépes szimulációt és laboratóriumi kísérleteket, majd a kísérleti gyártások után utólagos szimulációt is végeztünk. A kísérleti és számított eredményeket összehasonlítottuk. A hagyományos (alap) üzemeltetési mód (a szolvensbetáplálást (a tisztító lépést) csak a stacioner állapot elérése után kezdjük) mellett részletes modellezéssel megvizsgáltunk egy újat (módosított) (a szolvensbetáplálást már a sarzs felforrásakor (a stacioner állapot elérése előtt) megkezdjük) is. 6. tézis A sikeres kísérleti gyártás után részletes modellezéssel megvizsgáltam a műveleti paraméterek változtatásának hatását. Ez alapján javaslatot tettem a műveleti paraméterek helyesebb megválasztására (a refluxarány és a szolvensbetáplálási áram csökkentésére, a

Tézisfüzet - Szakaszos extraktív és azeotrop desztilláció optimális tervezése 13 gyártási idő növelésére). Ílymódon magasabb aceton kinyerés érhető el az energia- és vízfogyasztás mérséklődése mellett. 7. tézis Megállapítottam, hogy ha a sarzsban az A/B tömegarány magasabb, mint az azeotropban, akkor az alap (I.) üzemviteli mód 1. (felfűtő) lépése kifejezetten káros hatással van a szétválasztásra (5. ábra), mivel a kolonna fejében a B (és nem az A) komponens koncentrációja nő. Megállapítottam továbbá, hogy a módosított (II.) üzemviteli móddal sokkal alacsonyabb szolvens- és energiafelhasználás mellett (melyek arányosak a műveleti idővel), jóval rövidebb idő alatt érhető el az előírt desztillátumtisztaság (5. ábra), ami jelentős költségmegtakarítást eredményez. 3 I. Műv. pol., 1. lépés I. Műv. pol., 2. lépés 2,5 Tömeg % 2 1,5 1 II. Műv. pol., 1. lépés Metanol l. Etanol I. íz I. Metanol II. Etanol II. íz II. 0,5 0 0 5 10 15 20 Idő, h 5. ábra. A desztillátum összetételének időbeni változása a gyártás megkezdése előtt a két üzemviteli móddal (szennyezők) Az eredmények alkalmazása Az általam vizsgált szakaszos extraktív desztillációval (SZED) lehetőség nyílik az azeotropot képező folyadékelegyek komponenseikre történő szétválasztásra. A vegyiparban és gyógyszeriparban a hulladék oldószerelegyek gyakran ilyenek, amelyeket ezen eljárással regenerálni lehet és lehetőség nyílik az értékes komponenseket újbóli felhasználására. A

Tézisfüzet - Szakaszos extraktív és azeotrop desztilláció optimális tervezése 14 SZED-et már hazánkban is több helyen alkalmazzák szakaszos rektifikálóban. Erre példa a 2005-ben a dorogi oldószerregeneráló üzemben történt bevezetés is, amelyben én is részt vettem. Az általunk kidolgozott módszerekkel és a kapott eredmények felhasználásával a szakaszos extraktív desztillációs szétválasztások jelentős energia- és szolvensmegtakarítással üzemeltethetők. A hibrid művelet eredményesen alkalmazható és energiamegtakarítás érhető el (a hagyományos szakaszos rektifikáláshoz képest), ha a szétválasztási követelmények nem szigorúak és megengedett, hogy a termék bizonyos mennyiségű szolvenst tartalmazzon. Az extraktív desztilláció középső tartályos oszlopban (KTO) történő alkalmazása esetén egy időben három különböző összetételű termék gyártható. Egy kétkomponensű azeotrop elegy szolvens segítségével történő szétválasztása esetén tehát mind a két komponens külön tartályban nyerhető a szolvens regenerálásával egy időben. Ez a teljes művelet idejének és így az energiafogyasztás jelentős csökkenéséhez vezethet. Hátránya, hogy eredményesen csak szabályozókörök beépítésével üzemeltethető. A tézisekhez kapcsolódó közleményeim a. Cikk nemzetközi IF-os folyóiratban [1] Lang P., Modla G., Kotai B., Lelkes Z., P. Moszkowicz: Homoazeotropic Distillation of Maximum Azeotropes in a Batch Rectifier with Continuous Entrainer Feeding. II. Rigorous Simulation Results, Comput. Chem. Eng., 24, 1429 1436 (2000). [2] Kotai B., P. Lang, G. Modla: Batch Extractive Distillation as a Hybrid Process: Separation of Minimum Boiling Azeotropes, Chemical Engineering Science, 62, 6816-6826 (2007). b. Cikk nemzetközi folyóiratban [3] Kotai B., P. Lang,: Separation of maximum azeotropes in a middle vessel column, Chem. Engng. Transactions, ol. 7, 333-338, ISBN 88-900775-8-1 (2005).

Tézisfüzet - Szakaszos extraktív és azeotrop desztilláció optimális tervezése 15 c. Cikk nemzetközi konferencia-kiadványban [4] Kotai B., P. Lang, T. Balazs: Separation of Maximum Azeotropes in a Middle essel Column, IChemE Symposium Series, No. 152, 699-708, ISBN-10 0 85295 505 7, ISBN-13 978 0 85295 505 5 UK (2006). [5] Lang P., Gy. Kovacs, B. Kotai, J. Gaal-Szilagyi, G. Modla: Industrial application of a new batch extractive distillation operational policy, IChemE Symposium Series, No. 152, 830-839, ISBN-10 0 85295 505 7 (ISBN-13 978 0 85295 505 5) UK (2006). d. Cikk hazai konferencia-kiadványban [6] B. Kotai, Lang P., G. Modla : Batch Extractive Distillation as a Hybrid Process: Separation of Minimum Azeotropes, MicroCAD, Miskolc, 71-76, ISBN 963 661 612 4 (2004). [7] Kotai B., P. Lang, T. Balazs: Dynamic Simulation Studies for the Middle essel Column, Proceedings of the Fourth Conference on Mechanical Engineering, ol. 1, 295-300, ISBN 963 214 748 0 (2004). [8] Kotai B., P. Lang, G. Modla: Batch Extractive Distillation as a Hybrid Process: Separation of Minimum Boiling Azeotropes, Proceedings of the Fourth Conference on Mechanical Engineering, ol. 1, 301-305, ISBN 963 214 748 0 (2004). [9] Kotai B., P. Lang, T. Balazs: Separation of Maximum Azeotropes in a Middle essel Column, Proceedings of the Fifth Conference on Mechanical Engineering (2006) (CDROM kiadvány). [10] Láng P., Kótai B., Modla G.: A szakaszos extraktív desztilláció, mint hibrid művelet: minimális forrpontú azeotropok szétválasztása, MKN2003, 225-230 (2003). [11] Lang P., Gy. Kovacs, B. Kotai, J. Gaal-Szilagyi, G. Modla: Industrial application of a new batch extractive distillation operational policy, Proceedings of the Fifth Conference on Mechanical Engineering (2006) (CDROM kiadvány). e. TDK dolgozatok jegyzéke [12] Kótai Barnabás: Maximális forrpontú azeotróp elegyek szétválasztása szakaszos extraktív desztillációval, BME (2001). [13] Kótai Barnabás: Erősen nem-ideális elegyek szakaszos szétválasztása speciális desztillációs módszerekkel, BME (2002).