Operacje wymiany masy oraz wymiany ciepła i masy. -- Rektyfikacja. INŻYNIERIA CHEMICZNA i BIO-PROCESOWA

Transkrypt

1 Operacje wymiany masy oraz wymiany ciepła i masy -- Rektyfikacja INŻYNIERIA CHEMICZNA i BIO-PROCESOWA

2 REKTYFIKACJA INŻYNIERIA CHEMICZNA i BIO-PROCESOWA

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 ) - INŻYNIERIA CHEMICZNA i BIO-PROCESOWA

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 rzx h i x, lub H x = N rzx 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 - INŻYNIERIA CHEMICZNA i BIO-PROCESOWA

37

38

39

40

41

42

43

44 Przychód ciepła 1. Ciepło doprowadzane do kolumny rektyfikacyjnej z surówką w temperaturze wrzenia: INŻYNIERIA CHEMICZNA i BIO-PROCESOWA

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 INŻYNIERIA CHEMICZNA i BIO-PROCESOWA

54 REKTYFIKACJA OKRESOWA 1. Przy stałym składzie destylatu regulacja orosienia zwiększanie orosienia w miarę wzrostu otrzymywanego destylatu Np. kolumna posiada 5 półek teoretycznych

55 - przy zmiennym składzie destylatu i zmiennym składzie cieczy wyczerpanej Np. kolumna posiada 4 półki teoretyczne INŻYNIERIA CHEMICZNA i BIO-PROCESOWA

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 Bliższe informacje na ten temat można przestudiowad w specjalistycznej literaturze inżynierii chemicznej procesowej. Najważniejsze zostały zamieszczone poniżej. INŻYNIERIA CHEMICZNA i BIO-PROCESOWA

58 W tych obliczeniach wykorzystywane są podane tu zależności, oparte na teorii Whitmana, z wykorzystaniem symboliki stosowanej w podręcznikach inżynierii chemicznej procesowej i bio-procesowej. INŻYNIERIA CHEMICZNA i BIO-PROCESOWA

59

60