Operacje wymiany masy oraz wymiany ciepła i masy -- Rektyfikacja –

(1)

INŻYNIERIA CHEMICZNA i BIO-PROCESOWA

Operacje wymiany masy oraz wymiany ciepła i masy

-- Rektyfikacja –

(2)

REKTYFIKACJA

(3)

(4)

(5)

INŻYNIERIA CHEMICZNA i BIO- PROCESOWA

(6)

(7)

(8)

Kolumny z wypełnieniem pakietowym

są ok 2x bardziej sprawne od (ok 2x

niższa wartośd HETP) od kolumn

wypełnionych odpowiednim

wypełnieniem „kształtowym”

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

Rektyfikacja mieszanin wieloskładnikowych , np.

rektyfikacja ropy naftowej - „Atmosferyczna”

- „Próżniowa”

(14)

Dwie podstawowe metodyki projektowania

(obliczania) rektyfikacji ciągłej

(15)

(16)

- całej kolumny - górnej części - dolnej części -- skraplacza -- kotła

-- półki zasilanej

(17)

(18)

(19)

Alternatywne przebiegi linii stanu cieplnego surówki

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

(32)

Projekt rozkładu półek teoretycznych kolumny rektyfikacyjnej metodą

MC Cabe’a – Thiel’a – w układzie y= f(x) (w „kwadracie jednostkowym”) -

(33)

(34)

(35)

Wyznaczenie „linii operacyjnych” – „górnej”, „dolnej”, „stanu cieplnego

surówki”, liczby półek teoretycznych górnej i dolnej części kolumny, numeru półki zasilanej, stanowi istotną częśd projektowania kolumny rektyfikacyjnej oraz procesu rektyfikacji, jednak tego nie kooczy.

Konieczne jest określenie:

- „sprawności” półki w aparacie półkowym, a stąd – „liczby półek rzeczywistych”, wg zasady : N

_rz

= N

_t

/ E

_p

, gdzie : E

_p

- sprawnośd półki rzeczywistej – w zakresie 0 do 1 ;

obliczenia należy wykonad oddzielnie dla dolnej i górnej części kolumny, ponieważ różne mogą tam byd warunki hydrodynamiczne i różne sprawności półek; przy czym

„kocioł” traktujemy jako jedną półkę teoretyczną; skraplacz całkowicie skraplający nie jest półką, ale skraplacz częściowo skraplający może stanowid częśd, albo nawet ponad jedną półkę teoretyczną;

- „wysokości półki” – konstrukcyjnej w aparacie półkowym (h

_i

);

- wysokości wypełnienia (H

_i

) odpowiadającego półce teoretycznej w aparacie z wypełnieniem kształtowym, lub strukturalnym;

Na tej podstawie można określid wysokośd dolnej i górnej części kolumny oraz

położenie wlotu przewodu zasilania kolumny surówką, korzystając z formuły ogólnej H

^x

= N

_rz^x

h

_i^x_,

lub H

^x

= N

_rz^x

H

_i^x

, gdzie x oznacza dolną lub górną częśd kolumny rektyfikacyjnej.

Konieczne jest też wykonanie bilansu cieplnego, obliczenie skraplacza jako wymiennika ciepła typu – kondensująca para / ciecz chłodząca, zaprojektowanie izolacji termicznej (wszystkie obliczenia dotyczyły warunków adiabatycznych – bez wymiany ciepła z

otoczeniem (bez strat cieplnych).

(36)

H = HETP x N

- obliczane oddzielnie dla dolnej i górnej części kolumny -

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

(42)

(43)

(44)

Przychód ciepła

1. Ciepło doprowadzane do kolumny rektyfikacyjnej z surówką w

temperaturze wrzenia:

(45)

(46)

(47)

(48)

(49)

(50)

(51)

2. Metoda Savarita – Ponchona

– w układzie i=f(x,y) („metoda entalpowa”)

-- przebieg projektowania

liczby pólek teoretycznych --

(52)

REKTYFIKACJA OKRESOWA

(53)

REKTYFIKACJA OKRESOWA

1. Przy stałym składzie destylatu i zmieniającym się składzie cieczy wyczerpanej – regulacja orosienia –> zwiększanie orosienia w miarę wzrostu otrzymywanego destylatu

2. Przy zmiennym składzie destylatu i

zmiennym składzie cieczy wyczerpanej

(54)

Np. kolumna posiada 5 półek teoretycznych

REKTYFIKACJA OKRESOWA

1. Przy stałym składzie destylatu – regulacja orosienia – zwiększanie orosienia w miarę wzrostu

otrzymywanego destylatu

(55)

Np. kolumna posiada 4 półki teoretyczne

- przy zmiennym składzie

destylatu i zmiennym składzie

cieczy wyczerpanej

(56)

ZASADY OKREŚLANIA WYSOKOŚCI KOLUMNY

W przypadku przemysłowych półkowych kolumn rektyfikacyjnych , wykorzystywanych w skali procesowej, kolumny rektyfikacyjne są konstruowane z zastosowaniem

rozwiązao opracowanych przez producentów.

Istnieje bardzo bogata literatura opisująca zasady optymalnej geometrii półek w kolumnach rektyfikacyjnych. Jednakże, ta problematyka, będąca domeną

zaawansowanej inżynierii chemicznej procesowej, w zasadniczym stopniu przekracza zakres kursu przedmiotu Inżynieria Chemiczna i Bio-Procesowa.

W przypadku wypełnionych kolumn rektyfikacyjnych, stosowanych w różnej skali operacji rektyfikacji istnieją dwa główne sposoby określania wysokości kolumny rektyfikacyjnej:

-- w oparciu o pojęcie Wysokości wypełnienia Równoważnej Półce

Teoretycznej (WRPT / HETP), z wykorzystaniem określenia liczby półek teoretycznych (N), oddzielnie dla dolnej (N

_d

) i górnej części kolumny (N

_g

), przy czym, N = N

_d

+N

_g

oraz

H=H _d N _d + H _g N _g

-- w oparciu o – wynikające z teorii Withmana - pojęcie Wysokości Jednostki Przenikania Masy (WJPM), określanej oddzielnie dla dolnej (WJPM

_d

) i górnej części kolumny

(WJPM

_g

), z wykorzystaniem pojęcia Liczby Jednostek Przenikania Masy (LJPM) ,

określanej oddzielnie dla dolnej (LJPM

_d

) i górnej (LJPM

_g

) części kolumny rektyfikacyjnej.

Wówczas:

H = WJPM _d LJPM _d + WJPM _g LJPM _g

(57)

Teoria półek teoretycznych może zostad przeniesiona do warunków kolumn wypełnionych wypełnieniem „kształtowym”, albo „pakietowym”. Wówczas wyznacza się wysokośd wypełnienia kolumny (H ), określaną jako iloczyn Wysokości Równoważnej Półce Teoretycznej (WRPT ) (H ) (HETP – High Equivalent of Theoretical Plate ) oraz

liczby półek teoretycznych ( N ), oddzielnie - dla dolnej i górnej części kolumny rektyfikacyjnej.

h _kol = h _d + h _g

W przypadku operacji jednostkowych różnego tupu, w tym - rektyfikacji, realizowanych w kolumnach wypełnionych, za adekwatne jest uważane obliczanie liczby jednostek wnikania masy po stronie cieczy ( NJWM

_L

) oraz po stronie pary ( NJWM

_G

).

Kolejno, należy wyznaczyd wartości wysokości jednostki wnikania masy po stronie cieczy (WJWM

_L

) i po stronie pary oraz wysokości jednostki przenikania masy (WJPM

_G

) i kolejno – zależności tych wielkości od parametrów operacyjnych

(przede wszystkim od Re, temperatury, składu strumieni ).

Postępowanie takie jest zgodne z zasadami teorii Withmana – zapewnia możliwośd zaprojektowania koniecznej wysokości kolumny wypełnionej, jak również wysokości usytuowania w kolumnie punktu zasilania „surówką”

Operacje wymiany masy oraz wymiany ciepła i masy -- Rektyfikacja –

Operacje wymiany masy oraz wymiany ciepła i masy

-- Rektyfikacja –

REKTYFIKACJA

Kolumny z wypełnieniem pakietowym

są ok 2x bardziej sprawne od (ok 2x

niższa wartośd HETP) od kolumn

wypełnionych odpowiednim

wypełnieniem „kształtowym”

Rektyfikacja mieszanin wieloskładnikowych , np.

rektyfikacja ropy naftowej - „Atmosferyczna”

- „Próżniowa”

Dwie podstawowe metodyki projektowania

(obliczania) rektyfikacji ciągłej

- całej kolumny - górnej części - dolnej części -- skraplacza -- kotła

-- półki zasilanej

Alternatywne przebiegi linii stanu cieplnego surówki

Projekt rozkładu półek teoretycznych kolumny rektyfikacyjnej metodą

MC Cabe’a – Thiel’a – w układzie y= f(x) (w „kwadracie jednostkowym”) -

Wyznaczenie „linii operacyjnych” – „górnej”, „dolnej”, „stanu cieplnego

surówki”, liczby półek teoretycznych górnej i dolnej części kolumny, numeru półki zasilanej, stanowi istotną częśd projektowania kolumny rektyfikacyjnej oraz procesu rektyfikacji, jednak tego nie kooczy.

Konieczne jest określenie:

- „sprawności” półki w aparacie półkowym, a stąd – „liczby półek rzeczywistych”, wg zasady : N

= N

/ E

, gdzie : E

- sprawnośd półki rzeczywistej – w zakresie 0 do 1 ;

obliczenia należy wykonad oddzielnie dla dolnej i górnej części kolumny, ponieważ różne mogą tam byd warunki hydrodynamiczne i różne sprawności półek; przy czym

„kocioł” traktujemy jako jedną półkę teoretyczną; skraplacz całkowicie skraplający nie jest półką, ale skraplacz częściowo skraplający może stanowid częśd, albo nawet ponad jedną półkę teoretyczną;

- „wysokości półki” – konstrukcyjnej w aparacie półkowym (h

);

- wysokości wypełnienia (H

) odpowiadającego półce teoretycznej w aparacie z wypełnieniem kształtowym, lub strukturalnym;

Na tej podstawie można określid wysokośd dolnej i górnej części kolumny oraz

położenie wlotu przewodu zasilania kolumny surówką, korzystając z formuły ogólnej H

= N

h

lub H

= N

H

, gdzie x oznacza dolną lub górną częśd kolumny rektyfikacyjnej.

Konieczne jest też wykonanie bilansu cieplnego, obliczenie skraplacza jako wymiennika ciepła typu – kondensująca para / ciecz chłodząca, zaprojektowanie izolacji termicznej (wszystkie obliczenia dotyczyły warunków adiabatycznych – bez wymiany ciepła z

otoczeniem (bez strat cieplnych).

H = HETP x N

- obliczane oddzielnie dla dolnej i górnej części kolumny -

Przychód ciepła

1. Ciepło doprowadzane do kolumny rektyfikacyjnej z surówką w

temperaturze wrzenia:

2. Metoda Savarita – Ponchona

– w układzie i=f(x,y) („metoda entalpowa”)

-- przebieg projektowania

liczby pólek teoretycznych --

REKTYFIKACJA OKRESOWA

REKTYFIKACJA OKRESOWA

1. Przy stałym składzie destylatu i zmieniającym się składzie cieczy wyczerpanej – regulacja orosienia –> zwiększanie orosienia w miarę wzrostu otrzymywanego destylatu

2. Przy zmiennym składzie destylatu i

zmiennym składzie cieczy wyczerpanej

Np. kolumna posiada 5 półek teoretycznych

REKTYFIKACJA OKRESOWA

1. Przy stałym składzie destylatu – regulacja orosienia – zwiększanie orosienia w miarę wzrostu

otrzymywanego destylatu

Np. kolumna posiada 4 półki teoretyczne

- przy zmiennym składzie

destylatu i zmiennym składzie

cieczy wyczerpanej

ZASADY OKREŚLANIA WYSOKOŚCI KOLUMNY

W przypadku przemysłowych półkowych kolumn rektyfikacyjnych , wykorzystywanych w skali procesowej, kolumny rektyfikacyjne są konstruowane z zastosowaniem

rozwiązao opracowanych przez producentów.

Istnieje bardzo bogata literatura opisująca zasady optymalnej geometrii półek w kolumnach rektyfikacyjnych. Jednakże, ta problematyka, będąca domeną

zaawansowanej inżynierii chemicznej procesowej, w zasadniczym stopniu przekracza zakres kursu przedmiotu Inżynieria Chemiczna i Bio-Procesowa.

W przypadku wypełnionych kolumn rektyfikacyjnych, stosowanych w różnej skali operacji rektyfikacji istnieją dwa główne sposoby określania wysokości kolumny rektyfikacyjnej:

-- w oparciu o pojęcie Wysokości wypełnienia Równoważnej Półce

Teoretycznej (WRPT / HETP), z wykorzystaniem określenia liczby półek teoretycznych (N), oddzielnie dla dolnej (N

) i górnej części kolumny (N

), przy czym, N = N

+N

oraz

H=H d N d + H g N g

-- w oparciu o – wynikające z teorii Withmana - pojęcie Wysokości Jednostki Przenikania Masy (WJPM), określanej oddzielnie dla dolnej (WJPM

) i górnej części kolumny

H=H _d N _d + H _g N _g

H = WJPM _d LJPM _d + WJPM _g LJPM _g

h _kol = h _d + h _g