Fonyó Zsolt az MTA rendes tagja A VEGYIPARI FOLYAMATTERVEZÉS KONCEPCIONÁLIS KIHÍVÁSAI Elhangzott 2004. november 16-án Bevezetés A mérnöki tevékenységet megalapozó tudományokhoz tartozó vegyészmérnöki tudomány feladata egyrészről hozzájárulás az alaptudományok (elsősorban a kémia, biológia, fizika és matematika) törvényszerűségeinek megismeréséhez, másrészről és főként azok alkalmazásával olyan korszerű tervezési elvek és módszerek kidolgozása, melyekkel az emberiség javát szolgáló berendezések, eljárások, anyagfeldolgozó termelő folyamatok hozhatók létre. A vegyészmérnöki tudomány egyik legfontosabb tevékenysége tehát a termelő folyamatok optimális kialakítása, vagyis a vegyipari folyamattervezés. E tevékenység főbb mozzanatai a szintézis, az analízis, az optimalizálás és az értékelés. Mivel a tervezés ciklusában a szintézis a domináló mozzanat, a folyamattervezés egészében véve szintézis feladat, így a folyamattervezés kifejezés szinonimája a folyamatszintézis. A vegyészmérnöki tudomány (más néven műszaki kémia) tehát termelő rendszerek létrehozásával, megalkotásával, fejlesztésével foglalkozik. A termelő folyamatoknak a létrehozása, folytonos fejlesztése (ellentétben a hagyományos természettudományokkal) alkotó, szintetizáló tevékenységet igényel és így ez a tevékenység elsősorban kreatív (nem kizárólag felfedező) jellegű. Az utóbbi néhány évtized bizonyította, hogy az ilyen kreatív tevékenység rendszeres végzése szükségessé teszi a rendszerszemlélet fokozatos érvényesítését 1 8. A folyamatszintézis során számos, fontos integráló jellegű elv érvényesül. Ilyen például az anyag, az energia, általában a természeti erőforrások optimális felhasználása, ami magában foglalja a gazdaságosságra, az anyag- és energiaintegráció megvalósítására, a környezet megóvására és a fenntartható fejlődésre való törekvést. A környezetbarát eljárások kifejlesztése az utóbbi évtizedben a folyamatszintézis új vezérlőelve lett, vagyis a hangsúly eltolódott a keletkezett kémiai hulladékok kezeléséről a hulladék keletkezésének csökkentésére. Ennek fontosabb eszközei: az áttérés a hulladékszegény folyamatok alkalmazására, a mégis keletkezett anyag- és energiahulladékok célirányos újrafelhasználása és visszaforgatása, az anyag- és energia-átalakító folyamatok mind teljesebb integrációjával. 1 Mindez természetes következménye annak, hogy az ENSZ 1992-es Rio de Janeiro-i konferenciája után a környezetvédelem a világ minden országában bekerült a kormányok cselekvési programjába. Egyúttal megerősödtek a társadalmi mozgalmak és megjelent a fenntartható fejlődés fogalma. Ennek lényege az, hogy lehetőséget adjunk mindenkinek az alapvető szükségletek kielégítésére, de egyúttal biztosítsuk a jövő generációk hasonló igényeit is. A 2002-es johannesburgi világértekezlet pedig jól érzékeltette azt a tendenciát, hogy a környezetvédelem napjainkban már nem önmagában jelenik meg, hanem a gazdasági növekedés és az ezekkel járó társadalmi, szociális követelmények figyelembevételével. A vegyészmérnöki tudomány paradigmái 1 Az anyag és energiahulladékok célirányos újrafelhasználásával foglalkozó szakterületet a szakirodalom ipari ökológiának nevezi.
A vegyészmérnökség 1980-ban ünnepelte centenáriumát és az azt követő több mint két évtized fejlődése egyértelműen mutatta, hogy az ezredfordulóra a számítógéppel segített folyamattervezés és folyamatirányítás a modern chemical engineering leginkább fejlődésben lévő területének bizonyul. A fejlődés érzékeltetéséhez a vegyészmérnöki tudomány ún. paradigmakorszakait szükséges áttekintenünk. A múlt század elején a vegyipari gyártmányok száma meghatványozódott, és ez a műszaki kémia strukturális megváltozását hozta magával. A gyártásokat külön-külön tárgyaló, leíró jellegű, korabeli kémiai technológia mellett az egyedi műveletek kerültek a tudomány középpontjába. Az ipari vegyészek rájöttek: függetlenül attól, hogy történetesen műtrágyát, textilalapanyagot, élelmiszert, motorhajtó anyagot, gyógyszert vagy műanyag terméket gyártunk, a gyártások olyan műveletekből tevődnek össze, melyeknek közösek az elméleti alapjaik. Ilyenek például a kémiai reaktorok, a desztilláció, a különböző hőcserék, a granulálás vagy a szűrés. A lényeges változás az volt, hogy a gépek és készülékek ismertetése helyébe, 1915 után Arthur D. Little javaslatára, az egyedi műveletek elemző jellegű leírása került, művelettan néven. Ez a strukturális változás nyomon követhetővé vált a fejlesztésben, a mérnöki gyakorlatban, az oktatásban, és a szakirodalomban egyaránt, az első paradigma szerint. A klasszikus ipari vegyészek pedig a fejlődés során lassan vegyészmérnökökké váltak. Konvektív tag Folytonossági tétel Forrástag Impulzusmérleg Hőmérleg Komponensmérleg Dimenziómentes számok Vezetéses és átadási tag Impulzustranszport Hidrodinamikai hasonlóság Hőtranszport Hőtani hasonlóság Komponenstranszport Komponens-átadási hasonlóság Komponenstranszport forrással Hidrodinamikai műveletek Hőátadási műveletek Anyagátadási műveletek Kémiai reaktorok Buckingham-féle -tétel 1. ábra. A műveletek felépítése A művelettan igazán tudományos rangját az 1950-es években érte el, miután alkalmazni kezdte a transzportfolyamatok elméleti eredményeit. Kiderült ugyanis, hogy a művelettan matematikai modelljei közös alapokra vezethetők vissza. Mégpedig az úgynevezett transzportálódó mennyiségekre, azaz az impulzus-, a komponens- és hőmennyiségekre felírt parciális differenciálegyenletek rendszerére, vagyis az általános mérlegegyenletek műveletspecifikus változataira. Ezek általánosítása és rendszerezése ma már lehetővé teszi a művelettan egységes tárgyalását. Tehát egy újabb absztrakciós lépéssel a transzportfolyamatok elméletének bevonásával kidolgozhatóvá vált a tudományos megalapozottságú művelettan (1. ábra), és e köré lehetett felállítani a második paradigmát. Egyébiránt e paradigma kialakulásának történelmi háttere a második világháború volt: a A paradigma ebben a kontextusban a valóságos tudományos gyakorlat egyes elfogadott mintáit jelenti, melyek tartalmazzák a megfelelő törvényeket, elméletet, az alkalmazást és a kutatási eszközöket együtt.
hadipar és vele együtt a fizika, kémia fejlődése jelentősen katalizálta a művelettan matematikai alapjainak kidolgozását. Az első paradigma korszakát képező vegyipari műveletek iskolája után a fejlődés és a hozzá tartozó témaváltás két egymást befolyásoló, párhuzamosan haladó különböző szinten történt. Az előzőekben vázolt, mikroszintű fejlődés eredményezte a transzportfolyamatok elméletét, és tette lehetővé a különböző műveletek tudományos igényű megértését és leírását. E mikroszintű kutatás napjainkban a műveletek molekuláris megalapozásával és energetikájával folytatódik. Ennek célja a változások pontosabb leírása és magyarázata, a hajtóerők, az energiafajták és a nem megmaradó entrópia segítségével. A műszaki kémia fejlődése során az is nyilvánvalóvá vált, hogy az egyedi műveletek nem önmagukban vesznek részt az anyagi termelésben, hanem ezek összetett rendszerében történik az anyagáramok fizikai és kémiai megváltozása. Így a párhuzamosan végbement, felfelé építkező, makroszintű fejlődés a folyamatok rendszeres vegyészmérnöki tervezését tette lehetővé. Ennek első fejlődési fokozata a folyamatanalízis, vagyis a műveletek hálózatának anyag- és hőmérlegszámítása, értékelése és optimálása volt, a második fokozat pedig a rendszeres folyamatszintézis. Így ma már nyilvánvaló, hogy az elszigetelt és integrált műveletek optimális jellemzői (konverzió, refluxarány, nyomás stb.) különböznek, továbbá, hogy az üzemi rendszerjellemzőket a lefuvatást, recirkulációt, regenerálást is figyelembe kell vennünk az optimalizálandó változók között. A műveletek hálózatának anyag- és hőmérlegszámítása magában még nem jelentett önálló paradigmát, de a folyamatszintézis, vagyis új struktúrák és általában a korábbiaknál jobb termelőfolyamatok kialakítása (a molekuláris megalapozás mellett) az a gondolat, amely köré a harmadik paradigma kifejtése történik napjainkban (2. ábra). -1920 Leíró technológia 1920-1950 1. paradigma Vegyipari művelettan 1950-1970 2. paradigma Transzportfolyamatok (hasonlóság) Folyamatanalízis (flowsheeting) 1970-3. paradigma Molekuláris megalapozás (energetika) Folyamatszintézis 2. ábra. A chemical engineering paradigmái A koncepcionális folyamattervezés fejlődése A folyamattervezés általában elemző tevékenységekkel indul: a reakciókörülmények és az anyagi tulajdonságok felderítésével. A folyamatok szintézisének, mint kreatív tevékenységnek célja: a különböző kémiai átalakítások optimális körülményeinek meghatározása; az anyagok tárolásával, mozgatásával, érintkeztetésével, kémiai komponenseinek átalakításával és elválasztásával kapcsolatos körülmények meghatározása; a folyamatot felépítő egyes részfolyamatok (műveletek) típusának, számának és kapcsolási rendjének optimális kialakítása.
A folyamattervezés lépései a megközelítés szempontjából lehetnek koncepcionálisak vagy algoritmikusak. A koncepcionális megközelítésnél [9, 10] fokozatosan fejlesztő módszerrel, a 3. ábrán látható döntési szintek hierarchiája szerint lépésről lépésre építjük fel és tökéletesítjük a folyamatot. Ennek során a folyamat egyre több részletét dolgozzuk ki koncepciók, modellek és heurisztikus szabályok felhasználásával gazdaságossági mutatók generálásával, analízisével és értékelésével. A koncepciók, modellek és heurisztikus szabályok kvalitatív és kvantitatív meggondolásokon, termodinamikai, fizikai, kémiai és más természettudományos elveken, műszaki-gazdasági tapasztalatokon és numerikus vizsgálatokon alapulnak. Az algoritmikus megközelítésnél a folyamatszintézis problémát integer és folytonos optimalizálási feladatként kezeljük és azt matematikailag egy vegyes egészértékű-nemlineáris programozási feladatként (MINLP = mixed integer nonlinear programming) fogalmazzuk meg [11]. Mindkét megközelítésnek (koncepcionális és algoritmikus) létjogosultsága, sőt meghatározott helye van a folyamattervezés különböző stádiumában. Reaktor Elválasztó és recirkulációs rendszer Hőcserélő hálózat Energia- és segédanyag rendszer 3. ábra. A hierarchikus folyamattervezés hagymadiagram -ja Az 1988-ban publikált Amundson riport nomenklatúráját alkalmazva 12 15, a jelen előadás keretében részletesebben vizsgált koncepcionális folyamattervezés mezo-, makro- és mikroszintű fejlődését a 4. ábrán foglaltuk össze. Az ott felsorolt kutatási témák rendkívül szerteágazóak. A különböző szintű szintézisfeladatok kezelése eltérő, mégpedig a szinteknek megfelelő módszereket és tervezési eljárásokat igényel. Az ún. hierarchikus modellezés általánosan elfogadott gyakorlata szerint a rendszertani tárgyalás a hierarchiaszinteknek megfelelő matematikai modelleket igényel, vagyis a felsőbbszintű modellektől nem követelhetjük meg az alsóbb szinten szükséges részletességet: a struktúrának stabilabbnak kell lennie alkotóelemei modelljénél. A műszaki kémiát azóta tekinthetjük tehát igazán egzakt, a vegyészmérnöki tevékenységet megalapozó tudománynak, amióta a vegyészmérnökök kidolgozták a maguk mesterségének művelettani alapjait. Erre épült a második, majd a harmadik paradigma, és így a koncepcionális folyamattervezés mezo-, makro- és mikroszintű fejlesztése. Mindazonáltal a műszaki kémiát kutató és fejlesztő mérnökök számára ezek után is joggal vetődik fel a kérdés: hogyan fogalmazhatók meg, miként tárhatók fel a vegyészmérnöki mesterséget leginkább befolyásoló, még nem felderített, újabb törvényszerűségek és alapelvek, melyek alkalmazásával az emberiség javát szolgáló, a jelenleginél tökéletesebb berendezések, eljárások, anyagfeldolgozó termelő folyamatok hozhatók létre.
Koncepcionális folyamattervezés 1. Mérföldkő műveleti egység koncepció Mezo-szint (-1990) Kutatási témák (1) kémiai reakcióutak szintézise elválasztó rendszerek szintézise hőcserélő rendszerek szintézise teljes termelő folyamatok szintézise 2. Mérföldkő Környezetközpontú tervezés Makro-szint (1990-) 3. Mérföldkő Új műveletek + molekuláris modellezés Mikro-szint (1995-) Kutatási témák (2) integrált környezetbarát folyamatok erőforrás allokáció korlátozott és teljes életciklus elemzés új szintézis módszerek innovatív, kreatív tervezés Feladatok: a különböző tudományterületek kombinálása bizonytalanság figyelembevétele komplex rendszerek szimulációja és optimálása Kutatási témák (3) molekuláris modellezés folyamat intenzifikálás termék és folyamattervezés energetikai értelmezés innovatív, kreatív tervezés Feladatok: alapelvek felderítése molekuláris szinten molekuláris építkezés új műveleti egységek kifejlesztése a műveletek kombinálása: hibrid rendszerek kifejlesztése 4. ábra. A koncepcionális folyamattervezés fejlődése A műszaki kémia törvényszerűségei és alapelvei A műszaki kémia törvényszerűségeinek és alapelveinek (más kifejezéssel koncepcióinak) egy része a kutatás és fejlesztés közös szabályainak, mintáinak alapelemeit jelenti. Az ezekhez szükséges közmegegyezés ugyanis előfeltétele a normál tudománynak, azaz egy bizonyos kutatási-fejlesztési hagyomány létrejöttének és fennmaradásának. Más része az összetett vegyipari folyamatok viselkedését határozza meg modellek formájában és így azok létrehozását, szintézisét is alapvetően befolyásolják. Ide tartoznak az ún. folyamattervezési irányító elvek, melyek az új anyagfeldolgozó eljárások kidolgozását teszik lehetővé innovatív, kreatív tervezéssel, továbbá bizonyos korlátok, melyek a feladat lehetséges megoldásainak halmazát korlátozzák a folyamatra jellemző fizikai-kémiai és műveleti törvények alapján. A tervezési irányító elveknél a transzportfolyamatok végrehajthatósága és a hajtóerők kerülnek előtérbe, ugyanis a vegyipari művelettanban meg akarjuk változtatni a temodinamikailag stabilis állapotokat. A korlátok megfogalmazásánál pedig figyelembe kell vennünk, hogy azok összetett vegyipari folyamatokra, és az új típusú hibrid műveletekre korántsem triviálisak: a
teljes rendszerre vonatkozó korlátok csak a részegységekre, ill. a részfolyamatokra vonatkozó korlátok és a rendszer hálózatának ismeretében tárhatók fel. Nyilvánvaló, hogy a művelettan alapvető koncepciója a múlt század elején megszületett műveleti egység, melynek alapján a vegyipari folyamatok széles választéka kevés számú alapműveletből összeállítható. Ehhez kapcsolódóan olyan racionális modellek ill. elvek bevezetése és értelmezése vált szükségessé, mint a transzportálódó tulajdonságok fogalma, a mérlegegyenletek, a hasonlóságelmélet, a komponenstranszportot leíró anyagátadási elméletek, a fokozatokból álló berendezések elméleti tányér, vagy a folytonos érintkeztetésű oszlopok átviteli egység koncepciói. A folyamattervezés pedig további alapelvek megfogalmazását hozta magával, mint például a koncepcionális és algoritmikus megközelítés, energia- és anyagvisszanyerő hálózatok, hő- és komponenskaszkád, erősen nemideális elegyek elválasztása oldószerekkel, hajtóerők képzése a transzportfolyamatok létrehozásához, reaktorok és elválasztó rendszerek kölcsönhatása. Néhány fontos törvényszerűség és alapelv fentiekben vázolt csoportosítását mutatja az 1. táblázat. Közös szabályok, minták Műveleti egység Transzportálódó tulajdonságok Elméleti (egyensúlyi) egység Átviteli egység Hierarchikus megközelítés Algoritmikus megközelítés Energia- és anyagvisszanyerő hálózat Teljes költség minimalizálása Életciklus elemzés Fenntartható fejlődés Folyamattervezési irányító elvek Mérlegegyenletek Hasonlóságelmélet Anyagátadási elméletek Hő- és komponenskaszkád Matematikai programozás Oldószer (entrainer) alkalmazása Erőforrás allokáció Hő- és anyagátadási hajtóerők létrehozása a transzportfolyamatokhoz Korlátok Minimális anyagáram Minimális fokozatszám Reverzibilis elválasztási modell Minimális fűtési és hűtési igény Minimális oldószer-igény Pinch módszerek Diffúzió/reakció koncepció Reaktor/elválasztó rendszer kölcsönhatása 1. táblázat. A műszaki kémia törvényszerűségeinek és alapelveinek csoportosítása Transzportfolyamatok és hajtóerők képzése a korlátok figyelembevételével A vegyipari folyamatok megvalósításához szükséges összes nettó költség első közelítésben az energia- és a beruházási költségek összegeként adódik. Bizonyos idealizált folyamatokra a minimális energiaszükséglet kiszámítható a termodinamika módszereivel. A valóságban azonban nem ennyit, hanem mindig többet kell befektetnünk a cél eléréséhez szükséges transzportfolyamatok véghezviteléhez. A többletráfordítás oka a termodinamika második főtételével megfogalmazott kiküszöbölhetetlen irreverzibilitás, amely ab ovo hozzátartozik a valóságos folyamatok lefolytatásához. Az anyagfeldolgozó műveleteknél a transzportálódó mennyiségek mozgatásához, a stabilis termodinamikai állapotok megváltoztatása céljából, ugyanis hajtóerőket kell létrehoznunk. A kreált hajtóerők pedig az általuk létrehozott áramokkal együtt irreverzibilitásokat eredményeznek, ami entópiatermelést idéz elő. Így jutunk el a művelettan általános beruházási költség energiaköltség optimálási problémájához. Nagyobb hajtóerőkkel megvalósított folyamatoknak nagyobb az energiaszükséglete és olcsóbb a beruházása, kisebb hajtóerővel megvalósított folyamatoknak kevesebb energiaszükséglete és drágább a beruházása. Integrált folyamatok tervezésénél célunk a hajtóerők optimalizálása és a fölös (káros) entópiatermelő folyamatok lokalizálása és megszüntetése. Stacionárius állapotban az állapotváltozók időfüggetlenek, de mivel véges hajtóerők hatnak, az entrópiatermelés nem zérus. A stacionárius rendszerek fontos tulajdonsága, hogy
bizonyos feltételek teljesítése esetén minimális entrópiatermeléssel jellemezhetők (Glansdorf Prigogine elv), miközben bizonyos számú hajtóerőt külső kényszerrel állandó értéken tartunk. A külső kényszerrel állandó értéken tartott áramok száma szerint megkülönböztetünk zérusrendű (egyensúlyi), elsőrendű, másodrendű, stb. stacionárius rendszereket. Példaképpen tekintsük a termikus elválasztó műveleteket, melyek a csatolt folyamatok termodinamikai elmélete alapján, formálisan elsőrendű stacionárius rendszernek tekinthetők. Ezeknél ui. a hőmérsékletkülönbség (általunk beállított hajtóerő) hatására hőáram jön létre, melyhez komponensáramok kapcsolódnak, de a bruttó komponensáramok zérussá válnak és a berendezésben kifejtett szétválasztási munkát a hőáram elértéktelenedése fedezi (5.ábra) [16]. A csatolt folyamatok esetében a folyamat célja az entrópia csökkentéssel járó elválasztás, amit a termodinamika törvényei értelmében csak a célfolyamathoz csatolt entrópiatermelő folyamattal együtt lehet megvalósítani. Ezért az entrópiafogyasztó folyamatok hatásfokát csak a hozzá csatolt kényszerítő (hajtó) folyamattal együtt lehet helyesen értelmezni. Betáplálás F T D Q D D Desztilláció oldószer (S) OV T Q 1 1 betáplálás F=A+B Q T 2 2 reflux (esetleges) K oldószer (T) A-termék Extrakció T W Q W W B-termék K reflux (esetleges) T 3 Q 3 OV T 4 Q 4 OV = oldószer visszanyerő K = keverő G (gáz) T T hűtő kondenzátor Q T V (kihajtott gáz) abszorber hőcserélő sztripper betáplálási gáz Abszorpció T B Q B reboiler 5. ábra. Az elválasztó műveletek értelmezése elsőrendű csatolt rendszerként A rektifikálásnál például a külső kényszerrel állandó értéken tartott hajtóerő a hőmérsékletkülönbség, az általa kiváltott egyik áram a hőáram, a másik pedig az eredő átadásos komponensáram. Az oszlop hőtranszportja által termelt entrópiát a komponensek szeparációjának entrópiafogyasztó folyamata használja fel. Az entrópiatermelés forrásait lényegében három csoportba sorolhatjuk, ezeket ábrázolja sematikusan a 6. ábra. A B A szakasz mutatja a célként kitűzött szétválasztás entrópiafogyasztását. Az oszlopban főként a betáplálásoknál és elvételeknél, de más helyeken is fellépő irreverzibilis keveredések miatt
azonban a szétválasztási munka valójában nagyobb, ezt mutatja a C B, ill együttesen a C A szakasz. A hőenergia degradációja során elsősorban ezeket az entrópiafogyasztásokat kell entrópiatermeléssel kompenzálni (A C szakasz), ez a termelés azonban az oszlop belsejében fellépő véges hajtóerők és hidraulikai ellenállások (súrlódás) miatt jelentősen nagyobb (C D szakasz). Az A D belső entrópiatermeléshez külső veszteségek is hozzáadódnak (D E szakasz), s végül a teljes addicionális entrópiaváltozást a B E szakasz, a teljes ráfordítást pedig az A E szakasz mutatja. Reverzíbilis esetben a B E szakasz eltűnik. E Külső D D C B A Entrópia fogyasztás Irreverzibilis keveredés Minimális szétválasztási entrópia C B A Belső entrópia termelés Véges hajtóerők + hidraulikus veszteségek Kompenzálandó C B A Teljes entrópia termelés Belső 6. ábra. Az entrópiatermelés forrásainak csoportosítása A stacionárius rendszerek itt összefoglalt termodinamikai elve két új, a későbbiekben ismertetésre kerülő művelettani koncepció kidolgozására is motivált (ezek a reverzibilis rektifikáló modell és önszabályozó folyamatirányítás koncepciója). A változó társadalmi, gazdasági kihívások és az intellektuális eszközök Korábbi székfoglalómban, közleményeimben és a Fábry György kollegámmal közösen írott könyvünkben 7, 4 részletesen kifejtettem a műszaki kémia néhány fontosabb törvényszerűségét és alapelvét, valamint a transzportfolyamatok és hajtóerők képzését a korlátok figyelembevételével különböző műveletekre. Ezeket itt most nem kívánom megismételni. Ebben az előadásban a témakör egy másik aspektusára kívánok rámutatni a változó társadalmi és gazdasági kihívások kezelése kapcsán, nevezetesen a folyamatszintézishez szükséges intellektuális eszközök megalkotásának és továbbfejlesztésének szükségességére. Ezeknek az intellektuális eszközöknek a megújítása képezi ugyanis a jelen korban a vegyipari folyamatszintézis koncepcionális kihívását. A számítógépek és az informatika széleskörű elterjedése egy új éra megszületését eredményezte: ezt információs kornak szokás nevezni. A robbanásszerűen szaporodó információk azonban csak akkor igazán hasznosak, ha azok valamilyen formában rendezettek, lehetőleg elméleti koncepciók alapján. Mérnökeink műszaki világát olyan intellektuális eszközök képezik, amelyek magukba foglalják a műszaki kémia fontosabb törvényszerűségeit
és alapelveit. Ilyen értelemben a mai korszakot intellektuális kornak is nevezhetjük, ahol a leghasznosabb elvek és törvények nemcsak a korábbi megfigyeléseket magyarázzák meg, hanem lehetővé teszik a tervezést, azaz a végrehajtható folyamatok előrejelzését. Ezen előrejelzések egy része új technológiák kifejlesztését segíti elő, melyek a korábbi eljárásokhoz képest áttörést jelentenek az emberiség javára. Ezek a fejlesztések újabb információk létrejöttét eredményezik, melyek egy része már nem magyarázható az őket létrehozó koncepciókkal. A gyorsan szaporodó információk rendezésére megújuló koncepciók pedig a következő műszaki áttörést eredményezhetik. Az 7. ábra illusztrálja az idő függvényében ezt a fejlődési folyamatot. A téglalapok a koncepciók formájában rendezett információkat jelentik, a pontok pedig az ismert, de még meg nem magyarázható információkat. információk rendezetlen információk idő rendezett információk, intellektuális eszközök, koncepciók 7. ábra. Az információk növekedése az idő függvényében A fentiekben vázolt kihívásoknak megfelelően az előadás további részében néhány, a kutatócsoportunk által kidolgozott kutatási eredményt mutatok be példaképpen, melyek a koncepcionális folyamattervezés (specifikusan az elválasztó műveletek energetikájának) témakörében meghatározó jelentőségű, új koncepciókat eredményeztek. E koncepciók a transzportfolyamatok és a hajtóerők optimalizálását célozzák a korlátok figyelembevételével. E koncepcióknak és modelleknek az iskolateremtő kifejtése hozzájárulást jelent a modern vegyészmérnöki tudomány kifejlesztéséhez. Reverzibilis rektifikáló modell és az energiatakarékos módszerek Az első kedvező nemzetközi visszhangot kiváltó közleményeink a többkomponensű rektifikáló rendszerek termodinamikai meggondolásainak egységes elméletbe foglalásából születtek, melyet az elmélet alapján konkrét javaslatok követtek az ipari desztilláló berendezésekben lejátszódó irreverzibilitások gazdaságilag célszerű csökkentésére a beruházási költség, terhelhetőség, termékminőség és termékrugalmasság figyelembevételével. E munkák tulajdonképpen a termikus elválasztási műveletek energetikai javításának termodinamikai megalapozását jelentették [16 23]. A stacionárius rendszerek termodinamiai elméletéből származtatható ún. reverzibilis rektifikáló modell sajátságai: 1. végtelen számú elválasztási fokozat biztosítása;
2. a dúsító szekció valamennyi közbülső pontjából infinitezimálisan kis hőelvezetés, a szegényítő szekció valamennyi közbülső pontjához infinitezimálisan kis hő hozzávezetés biztosítása, ezzel a fázisegyensúly megvalósítása az oszlop teljes hossza mentén; 3. valamennyi szekcióban legfeljebb egy komponenst lehet teljesen elválasztani (a terméket egyetlen komponenstől lehet mentesíteni). Ez azt jelenti, hogy fejtermékből csak a legnehezebb, a fenéktermékből csak a legkönnyebb komponens vonható el teljesen; 4. a kulcskomponensek kimerítésének pontjaiban a reflux és gőzáramok értékei nem lehetnek zérussal egyenlők, és egyensúlyi összetételük egyszeri kondenzációval vagy elgőzölögtetéssel nem, csak segédrektifikálással biztosítható; 5. a kolonnában elhanyagolhatóan kicsiny nyomásesést kell biztosítani a végtelen számú tányéron keresztül. A 2. feltételt teljesítő desztillálóoszlopot a 8. ábra mutatja, ahol a keresztmetszetet a belső anyagárammal arányosan rajzoltuk föl. A végtelenül hosszú oszlop minden keresztmetszetében (tehát folytonosan) végtelenül kicsiny nagyságú hőcseréket biztosítunk; a dúsító szakaszban hőelvonásokat, a szegényítő szakaszban fűtéseket. D K K. K K F K R K. R R magasság W R R keresztmetszet 8. ábra. Reverzibilis desztilláló oszlop anyagáram-eloszlása (K - kondenzátor, R - visszaforraló, az oszlop végtelen magas) A többkomponensű elegyek szétválasztását pedig a 3. feltételnek megfelelően olyan kapcsolási elrendezésű desztilláló rendszerben lehetne reverzibilisen megvalósítani, amit a 9. ábra mutat. Az egyes oszlopszekciók végtelenül hosszúak (1. feltétel), az oszlopok közti ún. termikus csatolások következtében (az utolsó oszlopot kivéve) egyensúlyi a reflux és az elgőzölés (4. feltétel), és végtelenül kicsinynek képzeljük a nyomásesést (5. feltétel).
9. ábra. Négykomponensű elegy szétválasztásának reverzibilis folyamata (végtelen oszlopméretek) A reverzibilis rektifikáló modell kritériumainak ismeretében nyilvánvalóvá vált, hogy az üzemeltetési és beruházási költségeket együttesen figyelembevevő, egységes elveken alapuló, műszaki-gazdasági optimalizálási módszer megmutathatja a tervezőnek a határt a hagyományos szétválasztási folyamatoknak a véges méretű költségoptimális szétválasztási folyamathoz való közelítésében. A rektifikálásra kidolgozott energiatakarékos megoldásokat a 6. ábra felosztásának megfelelően aszerint csoportosíthatjuk, hogy elsődleges vagy domináló hatásukat az irreverzíbilis keveredések csökkentése, a hajtóerők egyenletesebbé tétele vagy a külső veszteségek csökkentése révén fejtik ki. Néhány fontosabb módszer: 1. csoport: Az irreverzibilis keveredések csökkentése Tányérok vagy töltet pótlólagos felszerelése. A betáplálás helyének és hőállapotának optimalizálása. A nyomásesés csökkentése révén a hőmérsékletkülönbség csökkentése. Több betáplálás és több elvétel alkalmazása. Termikusan csatolt desztilláló rendszerek alkalmazása. Osztott kolonnák alkalmazása. 2. csoport: Egységesebb hajtóerő-eloszlás elérése Közbenső hőforgalmazás. Közbenső hőszivattyúk alkalmazása. Speciális ellenáramú készülékek alkalmazása 3. csoport: A külső veszteségek csökkentése Energia integráció. A csatlakozó hőcserélő rendszer optimális kialakítása. Az anyagáramok üzemek közti közvetlen átvezetése. Hőszivattyúk alkalmazása. E módszerek rendszeres alkalmazásával lehetővé válik az ipari desztilláló berendezésekben lejátszódó irreverzibilitások gazdaságilag célszerű csökkentése a beruházási költség, a terhelhetőség, a termékminőség, a termékrugalmasság, működőképesség és a fenntartható fejlődés figyelembevételével. A rektifikálásra kifejlesztett energiatakarékos megoldásokhoz hasonló meggondolások vezetnek más elválasztó műveletek és a kémiai reaktorok energetikai javításához.
Önszabályozó folyamatirányítás elve A reverzibilis rektifikáló modellhez hasonlóan termodinamikai ihletésű volt az ún. önszabályozó folyamatirányítás koncepciójának javaslata ipari termelőfolyamatok egyszerű szabályozására 24. Ennek ajánlásai: első lépésben a teljes üzem anyag-és komponensmérlegét vizsgáljuk és ezt követi az egyes műveletek minőségi szabályozása, a szabályozórendszer komplexitását és költségét olymódon csökkentjük, hogy az előálló önszabályozó rendszer stabilis legyen, és érzéketlen maradjon a terhelésváltozásokra és ezzel egyszerű, közeloptimális irányító rendszert tervezünk. Az első ajánlás, az anyagmérleg szabályozás biztosításával (áramok, szintszabályozók, nyomások rögzítésével) az önszabályozás előzetes szűrőjét jelenti, ugyanis képessé teszi az üzemet a terhelésváltozások egyszerű kiegyenlítésére. A második ajánlás lényege pedig az, hogy amennyiben a módosított változók egyikét (kiforralás, reflux, recirkulációs áram) érzéketlennek találjuk az alapanyag összetételének várható változására, egy egyszerű szabályozási elrendezés javasolható: ezt a változót a maximális érték közelében, állandónak tartva egy másik változót manipulálva a meghatározó termék tisztasága biztosítható. Ez voltaképpen az elsőrendű stacionárius rendszerek elvének alkalmazását jelenti a vegyipari folyamatirányítás témakörében. Kétpontos összetétel-szabályozás Egypontos összetétel-szabályozás Egypontos összetétel-szabályozás rendezett töltetes oszlopokra 10. ábra. Direkt összetétel-szabályozási struktúrák
Az önszabályozó folyamatirányítás elvét egy kis hőmérsékletkülönbségű, direkt összetételszabályozást igénylő desztilláló oszlopra mutatom be. Ezekre a rendszerekre általában a kétpontos összetétel-szabályozás lenne költségoptimális, mégis számos ipari oszlopot egypontosra terveznek. Ennek belső lényegi magyarázata az, hogy a legtöbb esetben a kolonnát a szükséges maximális kapacitással üzemeltetve egy célszerű, önszabályozó folyamatirányítás valósítható meg, egypontos összetétel-szabályozással. Az egypontos összetétel-szabályozás gyakorlata általánossá vált a modern rendezett töltettel ellátott (kis nyomásesésű) vákuumoszlopok szabályzó rendszerénél is. A kolonna hőszükségletét a megengedett nyomásesésnek megfelelően rögzíthetjük és egypontos összetétel-szabályozást valósíthatunk meg (10. ábra). Kombinált folyamattervezés Vegyipari folyamatok tervezése általában a hagymadiagram legbelső szintjével, tehát a kémiai reaktorokkal a rendszer input-output struktúrájának és recirkulációs hálózatának szintézisével kezdődik. Tapasztalataink szerint azonban a hierarchikus és algoritmikus módszerek önmagukban nem képesek gyakorlatban használható folyamatok szintetizálására. Az általunk javasolt új kombinált módszer 23 lehetőséget biztosít a tervező aktív és kreatív közreműködésére egy új, felhasználó-irányított (user driven) tervezési lépés beiktatásával (11. ábra). Igények korlátok Hierarchikus szint Alapvető döntések Gőzvisszanyerő rendszer Folyadék-visszanyerő rendszer Egyszerű energiaintegráció Hőszivattyúk Felhasználói szint Komplex energiaintegráció Speciális konfigurációk Javítások Részletes számítások szintje Algoritmikus számítások Részletes analízis és optimálás Hőcserélő hálózat szintézis A legjobb alternatívák kiválasztása 11. ábra. Kombinált folyamattervezési rendszer
A kombinált módszernél a koncepcionális megközelítésű (hierarchikus) tervezési stratégiát a folyamattervezés kezdeti stádiumában használjuk fel. E szerint a megoldások különböző alternatíváit generáljuk és minősítjük a vizsgálati tartományban tapasztalati szabályok, gyors, rövidített számítási módszerek és a költségek egyszerűsített becslése alapján. A felhasználó által irányított tervezési lépések a hierarchikus tervezési stratégia alkalmazása közben szerzett tapasztalatok és eredmények (implicit knowledge) a folyamat értékelésére, további tökéletesítésére szolgálnak A tervezőnek itt lehetősége nyílik az előre nem látott problémák kreatív megoldására, speciális elrendezések és korlátok figyelembevételére. A módszer további jellemzője egy új korlátozásos stratégia alkalmazása a vizsgálati tartományok csökkentésére. A stratégia a prediktor alapú rendezett keresés elvét hasznosítja és három korláton (konverziós, hőintegrációs és rigorózus) alapul. A különböző esettanulmányok alapján általános következtetések vonhatók le a korlátok általánosságára és alkalmazhatóságára. A kombinált módszer hatékonyságát számos vegyipari folyamaton és esettanulmányon teszteltük és igazoltuk. Az energiaintegráció többrétű pinch módszere A korlátozáson alapuló első pinch pont analízis 1925-ből származik és McCabe és Thiele nevéhez fűződik a desztilláló oszlopok minimális refluxarány számítására (12.ábra). A utóbbi három évtized pedig az energia- és anyagintegráció pinch módszereinek feltárásával forradalmasította az integrált anyagfeldolgozó folyamatok szintézisét 25 27. 1 Pinch pont y x B x F x D 0 1 12. ábra. Desztilláló oszlop minimális refluxaránya (pinch pont) Az energiaintegráció módszerénél a hőkínálatokat és hőigényeket vesszük számba hőmérséklet-intervallumonként, majd ezekből hőkaszkádot képezünk. A magasabb hőmérsékletű intervallumok energiafeleslegüket átadhatják az alacsonyabb hőmérsékletűeknek, de fordítva nem. Ez utóbbi a termodinamika II. főtétele alapján ui. lehetetlen. Kiválasztva azonban a legnegatívabb fiktív hőátadást, és ennek megfelelő energiát közölve a rendszerrel, megalkotható olyan kaszkád, melynek hőátadásai reálisak. Az így adódó fűtés és hűtés biztosan a rendszer minimális fűtése és hűtése, mert kevesebb külső hőforgalom esetén a kaszkádban valahol negatív hőátadást kapnánk. Azt a hőmérsékletet, melynél ez a negatív érték fellépne, szűkületi hőmérsékletnek (vagy pinch-hőmérsékletnek) nevezzük (13. ábra). A módszer eszközei lehetőséget nyújtanak az anyagáramok energia- és x
segédanyag-hálózattal kialakítandó kapcsolatának megtervezésére, továbbá a hőerőgépek, hőszivattyúk és a termikus műveletek megfelelő illesztésére. A minimális fűtési és hűtési igény meghatározásán túlmenően a módszer lehetőséget nyújt a beruházási költségek és így az integrált műszaki kémiai rendszer összes költségének becslésére, sőt a hőcserélő hálózatok előzetes tervezésére is. T ( C) Folyamat-folyamat hőcsere Min. fűtés Hideg áramok be Meleg áramok be Hőcserélő hálózat Meleg áramok ki Meleg kompozit görbe Hideg kompozit görbe Hideg áramok ki Pinch alatti régió Pinch feletti régió Min. hűtés Pinch pont Q (kw) 13. ábra. Energiaintegráció és a Pinch-módszer T-Q diagramja Az anyagintegráció módszere (14. ábra) lehetőséget teremt a nemkívánatos komponensek racionális kinyerésére, hulladékáramokból oldószerekbe, azaz híg áramokba. Az ún. komponenskaszkád alapján komponensenként vizsgálhatjuk a koncentráció transzportált mennyiség összefüggéseket. A komponenskaszkád is véges minimális koncentráció-különbség függvényében írható fel és segítségével meghatározható az integrált anyagtranszport, az eljáráson belül még rendelkezésre álló, de termodinamikailag nem hasznosítható oldószer kapacitás, valamint a külső oldószerekkel megvalósítandó anyagtranszport. Oldószerek híg áramok be x y Integrált anyagtranszport Oldószer kapacitás Hulladék tömény áramok be Anyag cserélő hálózat Hulladék áramok ki Tömény kompozit görbe Híg kompozit görbe Oldószerek ki Külső oldószerrel megvalósítandó anyagtranszport Pinch pont Transzportált mennyiség 14. ábra. Anyagintegráció és a Pinch-módszer koncentráció-trnszportált mennyiség diagramja
Az általunk javasolt úgynevezett többrétű pinch (diverse pinch) koncepció különböző nagyságrendű film-hőátadási együtthatójú áramok esetére kínál egy eredeti és racionális módszert hőcserélő rendszerek szintézisére 28. Alkalmazásával a hagyományos pinch módszernél realisztikusabb fűtő- és hűtőszükséglet, összes költség és kezdőstruktúra szintetizálható. A módszer abból a tapasztalati tényből indul ki, hogy a kisebb átadási tényezőjű áramhoz nagyobb optimális hőfokkülönbség rendelhető, mint a nagyobb hőátadási tényezőjű áramokhoz. Az összetett vonalak szerkesztését vagy a hőkaszkád-számítást ún. shifted (módosított) hőmérsékletekkel végezzük. De nem egységes minimális T/2 értékkel módosítjuk az egyes áramok hőmérsékleteit, hanem minden egyes áramhoz eltérő értékekkel. Az egyes áramokhoz tartozó egyedi hőmérsékletmódosításokat fordítottan arányosnak vesszük az áram hőátadási tényezőjével: T i i ahol az egész rendszerre nézve közös paraméter, ami a minimális T/2 szerepét veszi át. Ezzel a konvencióval olyan hőcserélő hálózatot tervezünk, melyet közel egyenletes hőáramsűrűség jellemez. Bizonyos esetekben ugyanis, ha a konvencionális módszert követjük, tehát egységes T/2-vel számolunk, akkor ún. topológiai csapdába kerülhetünk. Ez azt jelenti, hogy a fokozatos fejlesztés módszerével nem jutunk el az optimális megoldáshoz. Általában mondható, hogy a különböző nagyságrendű film-hőátadási együtthatójú áramok esetén, az új módszer alkalmazásával a hagyományoshoz képest eltérő kompozit görbéket kapunk (15. ábra) és így elkerülhető a hagyományos módszerrel szintetizált vertikális hőcserének ún. criss crossing segítségével történő módosítása. 400 Hőmérséklet (ºC) 326 252 178 104 hagyományos Pinch-módszer T min =30 ºC 30 0 120 240 360 480 600 Entalpia (kw) 400 Hőmérséklet (ºC) 324 248 172 96 sokrétű Pinch-módszer T i = h i -1 =0,70995 h i -1 20 0 120 240 360 480 600 Entalpia (kw) 15. ábra. Hőcserélő hálózat kompozit görbéi hagyományos Pinch-módszerrel és sokrétű Pinch-módszerrel
Anyagcserélő hálózatok kombinált szintézise A modern folyamattervezés egyik fontos feladata az ipari friss víz felhasználásának, a keletkező szennyvíz kibocsátásának, általában a kibocsátott gázokban és folyadékban maradó káros anyagok mennyiségének csökkentése. A szennyezések csökkentését az ún. környezetközpontú anyagcserélő-hálózatokkal valósíthatjuk meg. E hálózatok szisztematikus tervezési stratégiájának kidolgozásához szükségünk volt egyrészt a koncepcionális pinchmódszer továbbfejlesztésére, másrészt a matematikai programozás módszerének alkalmazásánál rendszeresen fellépő problémák megoldására. Módszert dolgoztunk ki az anyagcserélő egységek méretezésében alkalmazott Kremseregyenlet szakadásának kezelésére, valamint az egész számú fokozatokat tartalmazó egységek számítására. Az anyagcserélő hálózatokra új szuperstruktúrát javasoltunk, mely a korábbiaknál kisebb mértékű nemlinearitást tartalmaz, ezáltal egyszerű kezdőértékmegadással lehetővé válik nagyobb méretű feladatok megoldása is. A linearitást azzal érjük el, hogy a hálózatban csak azonos koncentrációjú áramok keverését engedjük meg. A modell elsősorban töltött oszlopokat tartalmazó egykomponensű feladatok megoldására alkalmas, azonban kiterjeszthető tányéros oszlopok és többkomponensű feladatok tervezésére is. Finomítói savhatású gázkomponensek kinyerését illusztrálja a 16. és 17. ábra, ahol az új MINLP-módszerrel az eredeti költségeket kb. a felére csökkentettük. 0,9 0.07 0.06 R 1 0.0003 0.00006 0,1 R 2 0.051 0.115 0.0001 0.0002 2,3 0.0251 0.0233 0.0006 0 S 1 3,47 3 elm. tányér 0.0035 0.0034 0.0002 0 S 2 2 elm. tányér áramlási sebesség (kg/s) 3 elm. tányér éves összköltség: 918 000 $/év 16. ábra. Az eredeti MINLP megoldás savhatású gázkomponensek eltávolítására 0.022 kg/s 0.062 kg/s 0.9 kg/s N=4.23 N=4.93 N=2.88 R 1 0.1 kg/s N=2.73 N=3.25 R 2 1.752 kg/s 0.487 kg/s S 1 2.169 kg/s S 2 TAC=436,289 USD/yr éves összköltség: 436 289 $/év 0.566 kg/s 17. ábra. MINLP megoldás az új módszerrel
Az új szuperstruktúra és további fejlesztések lehetővé tették egy új kombinált szintézismódszer kifejlesztését [29, 30], mely a két megközelítést úgy kombinálja, hogy minimalizálja azok gyengeségeit (18. ábra). A pinch módszer jó költségbecslést szolgáltat, és ezáltal ellenőrizhető, hogy a matematikai programozás módszere nem rossz lokális minimumhelyen áll-e meg. A hajtóerő-diagram segítségével pedig felismerhetők az algoritmikus úton nyert lokális minimumot okozó kapcsolatok, és ezek kizárásával jobb szélsőértéket adó hálózat kereshető. Pinch Módszer (targeting) Minimális segédáram, minimális fokozatszám, minimális költségek MINLP modell Szuperstruktúra, rendszer egyenletek, célfüggvény Kezdeti folyamatábra szintézise MINLP modell optimalizálása TAC ú j < 1,1 TAC target? Nem Hajtóerő diagram analízise, alternatív folyamatábrák szintézise Optimum Igen 18. ábra. Kombinált stratégia anyagcserélő hálózatok szintézisére Integrált elválasztó folyamatok működőképességi vizsgálata Legújabb energiaintegrációs kutatásainkban különböző terner elegyek elválasztását végző műszaki-gazdasági összehasonlító elemzését vizsgáltuk szigorú szimulációval, az irányíthatóság szempontjából (19. ábra), [31, 32]. A hagyományos egyenes és fordított sorrendű, előre- és hátraintegrált változatait hasonlítottuk össze a termikusan csatolt előpárlásos és az előre- és hátraintegrált előpárlásos rendszerekkel (20 22. ábrák). Az optimalizált eredményeinket általánosítva kijelöltük az egyes elválasztási feladatokhoz alkalmas folyamatok célszerű alkalmazási tartományait. Az összköltség szempontjából a hátraintegrált egyenes sorrend, az előreintegrált fordított sorrend, továbbá az előre integrált előpárlásos, ill. a hátraintegrált előpárlásos rendszerek bizonyultak a legjobbnak. Ellentétben tehát a mai alkalmazási szokásokkal - bizonyos összetétel tartományokban - a termikusan csatolt előpárlásos (Petlyuk és Kaibel) rendszer nem került a leggazdaságosabb műszaki változatok közé. Az integrált folyamatokat megvizsgáltuk az anyaghulladékok keletkezése szempontjából is. A gáz- emisszió csökkenésének mértéke az energia-megtakarítással arányosnak bizonyult. Számításaink szerint az integráció nélküli értéket 36-57 %-kal csökkenthetjük a javasolt új energiatakarékos eljárások alkalmazásával.
Desztilláló rendszerek energetikai javítása Hibrid műveletek szintézise Energia hatásfok növelés A desztilláció teljes helyettesítése Folyamatirányítás fejlesztése Energiaintegráció Nagy hatékonyságú töltetek és tányérok A teljes folyamat energiaintegrációja Hőszivattyú alkalmazása Hőintegrált oszlopok Termikus csatolás Fenéktermék elpárologtatás Gőzkompresszió Külső kör Hagyományos sorrendek Előpárlásos sorrendek Előreintegrált struktúrák Előreintegrált struktúrák Hátraintegrált struktúrák Hátraintegrált struktúrák Kaibel oszlop Petlyuk oszlop Oldalrektifikáló Oldalsztripper 19. ábra. Desztilláló rendszerek energetikai javítása A B A ABC BC ABC AB C B C Egyenes sorrend, előreintegrált Fordított sorrend, előreintegrált A B A ABC BC ABC AB C C B Egyenes sorrend, hátraintegrált Fordított sorrend, hátraintegrált 20. ábra. Terner elegyek elválasztásának energiaintegrációs változatai
A B A AB ABC ABC BC B C C Oszlop oldal-rektifikálóval Oszlop oldal-sztripperrel A AB A ABC B ABC B BC C C Petlyuk oszlop Kaibel oszlop 21. ábra. Termikusan csatolt elválasztó rendszerek A AB ABC B BC C Előreintegrált előpárlásos rendszer Hátraintegrált előpárlásos rendszer 22. ábra. Előre- és hátraintegrált előpárlásos elválasztó rendszerek
A működőképesség összetett fogalmát itt az irányítástechnika szempontjából vizsgáljuk. A folyamattervezés modellezési feladatainak megoldásakor meghatározzuk a folyamat lehetséges szabadsági fokát, megállapítjuk a szabályozott jellemzőket és megkeressük a lehetséges módosított jellemzőket. Ezután a stacionárius irányíthatósági jellemzőket képezzük, mint pl. relatív erősítési tényezők, Niederlinski index, kondíciós szám, Morari-féle belső szabályozhatósági index. Ezek segítségével elvégezzük a szabályozott és módosított jellemzők párosítását, vagyis kialakítjuk a szabályozási struktúrát. A kedvezőnek bizonyuló struktúrákat dinamikusan is vizsgáljuk és minősítjük. Az irányíthatósági vizsgálat során tanulmányozzuk a tervezett rendszer rugalmasságát is, vagyis azt, hogy mennyire képes a szabályozási struktúra a folyamatot ért változó előírások és zavarások hatását kiküszöbölni. Vizsgálatainkat a gazdaságilag optimálisnak talált struktúrákra különböző összetételű alkoholelegyekkel három szinten végeztük el: 1.) stacionárius szabályozhatósági-indexek, 2.) felnyitott összetétel-szabályozókörök melletti dinamikus vizsgálatok, 3.) zárt összetételszabályozókörök melletti dinamikus vizsgálatok. Számításaink azt mutatták, hogy a legrobusztusabb irányítást a klasszikus kétkolonnás hőintegrált desztilláló oszlopok esetében valósíthatjuk meg. A Petlyuk (Kaibel) struktúra esetében kevésbé robusztus irányítást valósíthatunk meg, de a szabályozókörök működése még elfogadható. Az előpárlásos energiaintegrált kétkolonnás rendszerek (különösen a hátraintegrált változat, vagyis ahol az anyag és energiaáramok egymással ellentétes irányban haladnak) kedvezőtlen irányítástechnikai viselkedésűek: lassúak és a kilengéseik is nagyok (23. és 24. ábrák). Ezért a viszonylag kedvező gazdaságossági mutatók ellenére sem ajánlott e struktúrákat választani. Product mole fraction 0.993 0.989 0.985 0.981 0.977 Ethanol Propanol Butanol Feed rate disturbance 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Time (unit) 105.5 104.5 103.5 102.5 101.5 100.5 99.5 Feedrate (kmol/h) 0.995 0.991 107.5 23. ábra. Egyenes sorrendű, hátraintegrált 24. 0.987 ábra. Egyenes sorrendű, hátraintegrált, 105.5 kapcsolás nyitott körű tranziense 0.983 103.5 előpárlásos kapcsolás nyitott körű tranziensei Product mole fraction 0.979 0.975 99.5 0 30 60 90 120 150 180 210 Time (unit) Ethanol Propanol Butanol Feed rate disturbance 109.5 101.5 Feed rate (kmol/hr) 0.995 0.99 Ethanol Propanol Butanol 0.43 0.994 Szakaszos 0.99 extraktív desztilláció Ethanol Propanol Butanol 0.43 0.985 A szakaszos extraktív desztilláció (SZED) 0.37 0.982 0.98 0.37 műveletével félfolyamatos eljárásként a 0.975 Feed composition disturbance 0.34 0.978 folyamatos és szakaszos eljárásokra jellemző Feed composition disturbance 0.34 0.974 0.97 0.31 tulajdonságok hibridjét valósítjuk meg. A 0 10 20 30 40 50 60 70 Time (unit) szétválasztandó 0.97 azeotrop elegyet előre 0.31 az üstbe 0 30 60 90 120 150 180 töltjük, az oldószert Time (unit) pedig folyamatosan tápláljuk a berendezésbe az eljárás közben. Az 25. ábra a szakaszos extraktív desztilláció alapelrendezését mutatja. Hasonló műveletek végezhetők szakaszos kiforraló berendezésben és középtartályos berendezésben is. A tanszékünkön felépített félüzemi méretű középtartályos desztilláló oszlop alkalmas mind szakaszos dúsító, kiforraló és középtartályos, továbbá folyamatos rektifikáló, homogén és heterogén extraktív és azeotrop eljárások vizsgálatára. Product mole fraction 0.4 Feedmole fraction Product mole fraction 0.986 0.4 Feedmole fraction
F, x F D, x D 25. ábra. Extraktív desztilláció szakaszos dúsító berendezésben Az extraktív desztillációnál hagyományosan nehéz oldószert alkalmaznak minimális és maximális forráspontú azeotrop elegyek szétválasztására, azonban legújabb idevonatkozó vizsgálataink igazolták, hogy a SZED alkalmazható könnyű, nehéz, vagy közbenső illékonyságú oldószerrel egyaránt. Természetesen az egyes változatok a megvalósítás módjában és a gazdaságosság szempontjából különböznek. Tervezési módszereket dolgoztunk ki a különböző SZED-eljárások megvalósíthatósági vizsgálatára. E módszerek a kolonnaszekciókra és az üstre felírt differenciálegyenletek megoldásán és annak topológiai értelmezésén alapulnak [33]. Példaképpen közbenső illékonyságú entrainer alkalmazásánál a 26. ábra mutatja a minimális forráspontú azeotrop szétválasztását egy kijelölt desztillátum-összetételéből (x D,spec ), a számított közelítő rektifikáló profilt, továbbá az egyes számított közelítő extraktív profilokat, melyek a megfelelő tartományban a 0,3 metilacetát moltört közelében elhelyezkedő stabil csomópontba futnak. Az ábrán ugyancsak feltüntettük az üstösszetétel változásának az ekvimoláris metilacetát / ciklohexán sarzs-összetételből (x Ch ) kiinduló tervezett vonalát is R=10 és F/V=0,5 mellett. A részletes számítások eredménye jól illeszkedik a tervezett üstvonalra és profilokra. Példaképpen két részletes számításokkal meghatározott profil tányérösszetételeit is ábrázoltunk. Az egyiket körök, a másikat háromszögek jelzik.
Ciklohexán (B) Cy clohexan e (B) 1 0.8 xs,t 2 R=10 F/V=0.5 0.6 0.4 0.2 x S,t 3 x Ch xd,s p e c i fi e d xd,ac t u a l 0 0 0.2 0.4 0. 6 0.8 1 CCl4 (E) M eth y l acetate (A ) CCl 4 (E) Metil-acetát (A) 26. ábra. Tervezett és részletes modellel számított profilok, üstvonal Maximális forráspontú azeotropok is szétválaszthatók közbenső illékonyságú kinyerőszerrel [34, 35]. Ha egy alkalmas entrainer-komponens szennyezőként már az elegyben van, akkor ez lehet a legésszerűbb oldószerválasztás. Ha a szétválasztandó elegy hőérzékeny, akkor lehetőleg el kell kerülni a nehéz oldószer alkalmazását. Ha alkalmas könnyű entrainert is nehéz találni a szakaszos extraktív desztillációhoz, akkor előnyös lehet a közbenső illékonyságú oldószer alkalmazása. Hibrid műveletek extraktív heteroazeotrop rektifikálással és membrán-szeparációval A.) Oldószerregenerálásnál az erősen nem ideális többkomponensű elegyek elválasztására általában a különböző műveletek kombinációjára van szükség. Az ilyen hibrid műveletek szintéziséhez egy új módszert javasoltunk az ún. extraktív heteroazeotrop rektifikálás (EHR) célszerű pozicionálásával négykomponensű elegyek elválasztására [36]. Az EHR különösen alkalmas a nyeregpont típusú fejtermékes elválasztásokra, melyeknél a desztillációs régiót négy stacionárius pont határolja. Ezek tipikusan: az egyik kinyerendő tiszta komponens csomópontja, a terner azeotrop elegy csomópontja és két binér azeotrop nyeregpontjai. E két utóbbi közül az egyik binér elegy azeotrop nyeregpontja egyben a kívánt fejtermék csomópontja is, a nehéz komponens pedig az extraktív desztilláció oldószere. Az extraktív heteroazeotrop rektifikálás sarkalatos pontja az, hogy a minimális forráspontú binér azeotroppal, desztillátumként, heterogén elegyet tudjunk képezni, amely ezt követően a dekanterben két egymással nem elegyedő folyadékfázisra váljék szét. A 27. és 28. ábrákon bemutatott elválasztásoknál a dekantálás után a könnyebb fázis tisztasága megfelel a tervezési előírásoknak.