Wykład 11 Rektyfikacja.pdf

(409 KB) Pobierz
716241086 UNPDF
Wykłady z inżynierii chemicznej – Rektyfikacja
Maksymilian Pająk i Wojciech Skrzypiński
REKTYFIKACJA ROZTWORÓW DWUSKŁANIKOWYCH
ZASADA DZIAŁANIA KOLUMNY REKTYFIKACYJNEJ
Na ogół destylacja prosta powoduje niewielkie rozfrakcjonowanie składników surowca
w powstających produktach. Czystość destylatu można zwiększyć poprzez jego ponowną
destylację, a otrzymany destylat znów przedestylować. Proces ten można wykonywać
wielokrotnie, co przedstawiono na poniższym schemacie, a przebieg procesu destylacji
wielokrotnej wygodnie jest zilustrować na wykresie fazowym we współrzędnych: temperatura
– skład cieczy i pary.
D
4
D
3
V
4
D
2
V
D
1
V
V
W
4
S
W
3
W
2
W
1
t
t
W
V
1
1
V
2
W
S
2
D
1
V
3
W
V
3
D
2
W
4
D
4
D
3
4
x, y
Surowiec doprowadza się do pierwszego aparatu i po ogrzaniu do temperatury zawartej
pomiędzy początkową i końcową temperaturą wrzenia rozdziela się na ciecz wyczerpaną W1 i
1
1
3
2
1
0
716241086.014.png 716241086.015.png 716241086.016.png 716241086.017.png
Wykłady z inżynierii chemicznej – Rektyfikacja
Maksymilian Pająk i Wojciech Skrzypiński
opary V1. Opary poddaje się skropleniu otrzymując destylat D1, który jest jednocześnie
surowcem w kolejnym aparacie. Destylat D1 po ogrzaniu rozdziela się na kolejne porcje cieczy
wyczerpanej i oparów. W następnych aparatach otrzymuje się destylat o coraz większej
zawartości składnika lotniejszego. Takie postępowanie pozwala otrzymać produkt (D4)
dowolnie wzbogacony w składnik lotniejszy, lecz podstawową wadą tej metody jest jej duża
pracochłonność, duże zużycie ciepła, mała ilość destylatu końcowego i duża ilość odpadów w
postaci cieczy wyczerpanych zbieranych w każdym etapie.
Na wykresie fazowym widać, że składy cieczy wyczerpanych opuszczających dany
aparat są zbliżone do składu surowca wpływającego do poprzedniego aparatu (W1 - S, W2 -
D1, W3 - D2, W4 - D3). Pozwala to ulepszyć powyższą metodę wykonując proces
przeciwprądowy. Instalację służącą do wykonywania procesu destylacji przeciwprądowej
przedstawiono poniżej.
D
S
W
Surowiec wpływający do drugiego z kolei aparatu destylacyjne go rozdzielany jest na destylat i
ciecz wy- czerpaną. Destylat po- dawany jest do aparatu następnego, a ciecz wyczerpana do
aparatu poprzedniego. Wadą metody jest konieczność doprowadzania ciepła do każdego
aparatu i odprowadzania go w chłodnicach umieszczonych nad każdym z nich. Jeśli jeszcze raz
przyjrzeć się wykresowi fazowemu, to widać, że temperatura procesu w każdym następnym
aparacie jest niższa niż w aparacie poprzednim. Stąd wniosek, że opary z aparatu
poprzedniego można wykorzystać do ogrzewania aparatu następnego bez konieczności
stosowania skraplacza. Jest to ogrzewanie bezprzeponowe za pomocą oparów, które ulegają
kondensacji. Schemat takiej zmodyfikowanej instalacji przedstawiono na kolejnym rysunku.
D
S
W
Jak widać, z zewnątrz ogrzewany jest tylko pierwszy aparat, a chłodnica jest umiesz czona nad
ostatnim aparatem. Ten ostatni aparat, podobnie jak wszystkie pozostałe, musi być także
zasilany cieczą. Jedyną możliwością jest zasilanie tego aparatu częścią „własnego” destylatu.
2
716241086.001.png 716241086.002.png 716241086.003.png 716241086.004.png 716241086.005.png
Wykłady z inżynierii chemicznej – Rektyfikacja
Maksymilian Pająk i Wojciech Skrzypiński
Oznacza to, że tylko część oparów powstających w ostatnim aparacie może być odebrana jako
destylat.
Jeśli by usytuować opisane powyżej aparaty jeden nad drugim, zmienić ich konstrukcję
tak, aby każdy z nich zachował możliwość doprowadzania cieczy i oparów oraz
odprowadzania tych strumieni i zabudować je w jednym płaszczu, to otrzyma się aparat
kolumnowy w dolnej części ogrzewany z zewnątrz, w części środkowej zasilany surowcem, a
w części górnej wyposażony w skraplacz oparów. Aparaty takie to kolumny rektyfikacyjne ,
a ich zabudowę wewnętrzną stanowią tzw. półki. Półki mogą mieć rozmaitą budowę od półek
dzwonkowych do sitowych, a także mogą być zastąpione wypełnieniem usypanym lub
regularnie układanym z mniejszych elementów (np. pierścieni). Najbardziej
charakterystyczną cechą procesu rektyfikacji jest konieczność zawracania części oparów
odbieranych ze szczytu aparatu do wnętrza kolumny jako tzw. orosienie (powrót). Jeśli
zastosuje się skraplacz niezupełny, to powstające w nim skropliny całkowicie są zawracane do
kolumny rektyfikacyjnej, a destylat odbierany jest w postaci par, które skrapla się w innym
wymienniku ciepła. Przez zmianę natężenia przepływu wody chłodzącej w skraplaczu
niezupełnym zmienia się ilość orosienia zawracanego do kolumny. Kolumny rektyfikacyjne
mogą pracować w sposób ciągły lub okresowo. W kolumnie rektyfikacyjnej o działaniu
ciągłym surowiec wprowadza się na pewnej wysokości kolumny, natomiast w kolumnie
„okresowej” destylowany roztwór znajduje się w kotle. Schematy niektórych rozwiązań
kolumn rektyfikacyjnych przedstawiono poniżej.
Na rysunku a przedstawiono kolumnę rektyfikacyjną pracującą w sposób ciągły i
wyposażoną w skraplacz zupełny. Na rysunku b zamieszczono schemat kolumny
rektyfikacyjnej pracującej w sposób okresowy, a na rysunku c kolumnę rektyfikacyjną o
działaniu ciągłym, która pracuje pod obniżonym ciśnieniem i wykorzystuje ciepło niesione
przez opary oraz ciecz wyczerpaną do wstępnego podgrzewania surowca.
3
716241086.006.png 716241086.007.png 716241086.008.png 716241086.009.png 716241086.010.png 716241086.011.png 716241086.012.png
Wykłady z inżynierii chemicznej – Rektyfikacja
Maksymilian Pająk i Wojciech Skrzypiński
W celu zaprojektowania kolumny rektyfikacyjnej do danego procesu rozdziału najpierw
trzeba umieć ilościowo opisać pracę tego aparatu, co w najprostszej postaci przedstawiono
poniżej
4
Wykłady z inżynierii chemicznej – Rektyfikacja
Maksymilian Pająk i Wojciech Skrzypiński
ANALIZA PRACY ORAZ BILANS MASOWY I CIEPLNY
KOLUMNY REKTYFIKACYJNEJ
Analizę pracy kolumny rektyfikacyjnej najłatwiej przeprowadzić dla aparatu
wyposażonego w półki, zaopatrzonego w skraplacz zupełny i wyparkę. Schemat takiego
aparatu przedstawiono na rysunku.
Bilans masowy całej kolumny przedstawia równanie:
S = D + W ,
gdzie: S, D, W - strumienie surowca, destylatu oraz cieczy
wyczerpanej [kmol/s].
Bilans masowy jednego ze składników, np. bardziej lotnego
wyraża równanie:
S
x
F
D
x
D
W
x
W
.
Z kolei bilans cieplny kolumny rektyfikacyjnej można
zapisać równaniem:
S
i
F
Q
wyp
D
i
D
W
i
W
Q
skr
gdzie: iF, iD, iW -entalpie molowe surowca, destylatu i
cieczy wyczerpanej [kJ/kmol],
Qwyp, Qskr - strumień ciepła dostarczany do kotła
(wyparki) oraz odbierany w skraplaczu (deflegmatorze)
[W/s].
W równaniu bilansu nie uwzględniono strat, które powinny
być dodane po prawej stronie równania.
Jeśli molowe natężenie przepływu oparów
dopływających w jednostce czasu na półkę n-tą oznaczy się
przez Vn+1, a molowe natężenie przepływu oparów
opuszczających tę półkę przez Vn oraz analogicznie
natężenie przepływu cieczy dopływającej Ln-1, a
odpływającej Ln, to bilans masowy tej półki przedstawi
równanie:
V
n
1
L
n
1
V
n
L
n
Równanie bilansu cieplnego n-tej półki przybierze postać:
V
i
,
,
L
i
,
V
i
,
n
,
L
i
,
n
n
1
n
1
n
n
n
n
gdzie: i,,, i, - molowe entalpie pary i cieczy [kJ/kmol].
Jeśli z dwóch ostatnich równań wyeliminuje się Vn+1, to otrzymuje się następującą zależność:
 
,,
,,
 
,
,,
,
n n
1
n
n n
1
n
n n
 
1 1
n
1
Dla procesu destylacji składników o podobnej budowie chemicznej i na ogół zbliżonych
wartościach molowego ciepła parowania cieczy, w bardzo wielu przypadkach praktycznych
zastosowań można przyjąć, że entalpia nie zależy od składu strumienia, a więc:
i i
,,
,,
,
n
1
n
5
1
1
,,
V i i L i i L i i
716241086.013.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin