Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA PROCESY WIELOSTOPNIOWE REKTYFIKACJA.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA PROCESY WIELOSTOPNIOWE REKTYFIKACJA."— Zapis prezentacji:

1 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA PROCESY WIELOSTOPNIOWE REKTYFIKACJA

2 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA Procesem rektyfikacji możemy nazwać proces wielostopniowego oddziaływania strumienia pary wytworzonej w kotle z strumieniem cieczy wytworzonej w skraplaczu zachodzący w kolumnie rektyfikacyjnej. kocioł deflegmator kolumna Rozważymy kolumny półkowe : na każdym stopniu (półce) zachodzi proces zbliżony do destylacji równowagowej

3 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA W takim układzie zmiany składu faz zachodzą w sposób skokowy. Kolumna może być zaopatrzona w deflegmator całkowicie skraplający, w którym opary z kolumny ulegają całkowitemu skropleniu. Odpowiednia część skroplin jest zawracana do kolumny jako flegma resztę zaś stanowi ciekły destylat. Kolumna może posiadać deflegmator częściowo skraplający. Przez regulacje ilości wody chłodzącej tylko cześć oparów ulega kondensacji (flegma) a resztę stanowi parowy destylat ulegający kondensacji w osobnym skraplaczu.

4 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA Bilans materiałowy całej kolumny [mol/s]: Bilans składnika bardziej lotnego: Gdzie x s,x D, x W to ułamki molowe składnika

5 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA Bilans cieplny kolumny: Gdzie i s, i d, i w – to entalpie molowe surówki, destylatu i cieczy wyczerpanej. Q w ciepło doprowadzone do kotła Q D ciepło odprowadzone w deflegmatorze.

6 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA Eliminując S z równania otrzymujemy: Wprowadźmy nowe oznaczenia: Ciepło oddane na jeden mol destylatu w defegmatorze Ciepło dostarczone do kotła na jeden mol cieczy wyczerpanej

7 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA Uwzględniając te oznaczenia w równaniu entalpowym oraz eliminując S : Dzieląc stronami równania otrzymujemy: Jest to równanie przedstawiające zależność między ilością ciepła dostarczoną do kotła i oddawaną w deflegmatorze

8 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA Równanie to można rozwiązać metodą graficzną na wykresie entalpowym: ciecz wyczerpana destylat całkowicie skroplony xsxs Znajdujemy punkt W i D odpowiadający stanom cieczy wyczerpanej i destylatu. Z punktu D odkładamy q D ilośc ciepła oddanego w deflegmatorze na 1 mol destylatu. surówka stosunki boków trójkątów spełniają równanie destylat parowy

9 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA Korzystając z reguł wykresu entalpowego można wyznaczyć ilość ciepła dostarczonego do kotła na 1 mol surówki lub 1 mol destylatu:

10 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA Znaczna wartość ciepła cieczy wyczerpanej może być wykorzystana w wymienniku ciepła do zagrzania surówki. Ponieważ ilość surówki jest większa od ilości cieczy wyczerpanej S > W na „zimnym końcu” wymiennika temperatury mogą się wyrównać: Natomiast na drugim końcu temperatura podgrzanej surówki będzie niższa od temperatury cieczy wyczerpanej t s ` < t w

11 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA Na wykresie entalpowym wygląda to następująco: ciecz wrząca zakładamy że schłodziło się do t s xsxs

12 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA Wskutek zastosowania wymiennika podwyższa się entalpie surówki dzięki czemu maleje ciepło Q w ` dostarczone do kotła bez wymiennika z wymiennikiem

13 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA Jeszcze lepszą oszczędność otrzymujemy stosując jeszcze jeden wymiennik w którym gorący destylat częściowo podgrzewa surówkę: Destylat chłodzi się do temperatury t s

14 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA ciecz wrząca xsxs AB – ciepło oddane na jeden mol destylatu

15 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA

16 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA Analiza pracy kolumny rektyfikacyjnej Analizę pracy kolumny rozpoczniemy dla przypadku tzw. przepływów równomolowych liczba moli oparów dopływających na dana półkę - V n+1 liczba moli oparów odpływających z danej półki - V n liczba moli odcieku dopływającego do danej półki – O n-1 liczba moli odcieku odpływającego z danej półki – O n bilans masowy:

17 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA bilans cieplny: molowa entalpia pary molowa entalpia cieczy przekształcając: W przypadku składników niezbyt różniących się chemicznie i wobec bliskich wartości ciepła molowego parowania cieczy, w wielu przypadkach można przyjąć że entalpia nie zależy od składu:

18 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA Uwzględniając to w ostatnim równaniu: A więc mamy do czynienia z równomolowymi przepływami cieczy i pary w kolumnie. Doświadczenie wskazuje na to iż jest to dość często spełnione.

19 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA W kolumnie możemy wyodrębnić trzy obszary: Górna część kolumny rektyfikacyjnej Dolna część kolumny rektyfikacyjnej pólka zasilana Dla każdego z tych obszarów można ułożyć równanie bilansowe:

20 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA Bilans górnej części kolumny: bilans ogólny: bilans składnika bardziej lotnego: zakładamy całkowite skroplenie w deflegmatorze

21 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA Rugując z równań V otrzymujemy: Wprowadzając nową zmienną R definiowaną jako: powrót w deflegmatorze, regulowany

22 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA Otrzymujemy równanie „górnej linii operacyjnej”: na wykresie (x, y) jest to linia prosta przechodząca przez punkt określający skład destylatu x = x D i o nachyleniu R / R+1 Równanie to podaje zależność między składem cieczy i pary w przekrojach pomiędzy półkami w górnej części kolumny

23 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA Bilans dolnej części kolumny: O d i V d molowe strumienie przepływu odcieku i oparów różne od przepływów w górnej części kolumny.

24 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA Równanie „dolnej linii operacyjnej”: Równanie to podaje zależność między składem cieczy i pary w przekrojach pomiędzy półkami w dolnej części kolumny na wykresie (x, y) jest to linia prosta przechodząca przez punkt określający skład cieczy wyczerpanej x = x w i o nachyleniu O d /O d - W

25 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA W kolumnie możemy wyodrębnić trzy obszary: Górna część kolumny rektyfikacyjnej Dolna część kolumny rektyfikacyjnej pólka zasilana Dla każdego z tych obszarów można ułożyć równanie bilansowe:

26 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Dla zorientowania się w różnicy odcieków O i O d oraz oparów V i V d w górnej i dolnej części kolumny należy zbilansować półkę zasilaną. Bilans tej półki przedstawia się następująco: bilans cieplny: entalpia surówki entalpia odcieku entalpia oparów

27 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA entalpie odcieku i oparów nie zmieniają się przy przejściu przez półkę, stąd po przekształceniu otrzymujemy równanie: oznaczmy względną różnicę odcieków w górnej i dolnej części kolumny przez p:

28 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Przy pomocy równania bilansu ogólnego można wykazać, że różnica przepływów pary wynosi: uwzględniając to w równaniu otrzymujemy wyrażenie na p: różnica przepływów w górnej i dolnej części kolumny zależy od entalpii surówki

29 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Interpretacja parametru p na wykresie entalpowym: xsxs surówka może być cieczą zimną, cieczą wrzącą, mieszaniną cieczy i pary, parą nasyconą i parą przegrzaną. para nasycona i `` ciecz wrząca i `` A B

30 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA xsxs para nasycona i `` ciecz wrząca i `` A B surówka w postaci cieczy zimnej: entalpia surówki C Odciek Opary

31 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA xsxs para nasycona i `` ciecz wrząca i `` A B surówka w postaci cieczy wrzącej: entalpia surówki C Odciek Opary BC

32 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA xsxs para nasycona i `` ciecz wrząca i `` A B surówka w postaci mieszaniny cieczy i pary: entalpia surówki COdciek Opary

33 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA xsxs para nasycona i `` ciecz wrząca i `` A B surówka w postaci pary nasyconej: entalpia surówkiC Odciek Opary CA

34 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA xsxs para nasycona i `` ciecz wrząca i `` A B surówka w postaci pary przegrzanej: entalpia surówki C Odciek Opary

35 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Przykład rozkładu strumieni dla surówki w stanie cieczy wrzącej, powrotu R = 3 i strumienia destylatu D = 1 i surówki S = 10 wygląda następująco: surówka destylat ciecz wyczerpana

36 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Znając entalpie surówki, a stąd parametr p mówiący o różnicy odcieków w górnej i dolnej części kolumny, można określić miejsce przecięcie się górnej i dolnej linii operacyjnej. Najwygodniej wypisać równania tych linii w postaci: Sumując je i uwzględniając równanie bilansu całej kolumny dla jednego składnika:

37 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA otrzymamy: ostatecznie: linia pomocnicza pozwalająca wyznaczyć miejsce przecięcia się górnej i dolnej linii operacyjnej.

38 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA xsxs Wraz ze zmianą wartości p czyli stanu termodynamicznego surówki zmienia się nachylenie linii pomocniczej ciecz zimna ciecz wrząca para nasycona para przegrzana mieszanina cieczy i pary

39 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Aby otrzymywać rozwiązania typy granicznego wprowadzono koncepcję tzw. półki „teoretycznej”. Ciecz C opuszczająca taką półkę jest w stanie równowagi z parą D opuszczającą półkę. Obie fazy mają więc tę samą temperaturę i składy związane krzywą równowagi. Na półce zatem skład cieczy zmienia się B  C zmienia się też skład pary A  D. Zdolność frakcjonującą półki mierzy się różnicą składów C D W rzeczywistości równowaga na półce nie jest osiągana. Dochodzi się tylko do składów C` D`. Rozfrakcjonowanie na półce „rzeczywistej” jest mniejsze niż na teoretycznej C`D` < CD

40 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Stosuje się graficzne metody określania ilości półek teoretycznych w kolumnie: znając skład surówki oraz jej entalpie możemy wyznaczyć wartość p. Wykreślamy prostą pomocniczą. Następnie z punkty określającego skład destylatu rysujemy „górną” linie operacyjną prosta pomocnicza górna linia operacyjna R – założona wartość powrotu w deflegmatorze punkt przecięcia dolna linia operacyjna Punkt przecięcia się „górnej” linii operacyjnej z prostą pomocniczą jest pierwszym punktem „dolnej” linii równowagi.

41 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Skrajny punkt „górnej” linii operacyjnej y 1 = x D oznacza skład pary nad kolumną i za deflegmatorem całkowicie skraplającym. strumienie opuszczające półkę  linia równowagi strumienie w przekrojach nad półkami  linia operacyjna półką zasilaną jest ta której przypada schodek przeskakujący z górnej linii operacyjnej na dolną

42 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Bilans cieplny deflegmatora: ciepło parowania D O QDQD ciepło odebrane w deflegmatorze

43 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA xDxD xsxs xwxw S A B C Odcinek AC Odcinek AB Odcinek BC

44 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA xDxD xsxs xwxw S A B C

45 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Liczba stopni teoretycznych może być ułamkowa, gdyż służy ona tylko za punkt wyjścia do określenia liczby całkowitej półek rzeczywistych Jeżeli stosujemy deflegmator częściowo skraplający to pracuje on jak półka teoretyczna W kotle zachodzi również stan równowagi między parą a cieczą. A więc kocioł też działa ja półka teoretyczna

46 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Ze zmniejszaniem powrotu w deflegmatorze maleje zużycie ciepła na 1 mol otrzymanego destylatu. Istnieje jednak minimum tego powrotu. xsxs Ze zmniejszaniem bowiem powrotu R nachylenie górnej linii operacyjnej maleje. W granicznym przypadku linia operacyjna „górna” przetnie się z linia pomocnicza na krzywej równowagi Liczba półek teoretycznych dla takiego przypadku jest nieskończenie wielka.

47 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA W przypadkach szczególnych minimalne nachylenie linii operacyjnej „górnej” a więc i powrót minimalny może wynikać ze styczności linii operacyjnej do linii równowagi.

48 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Minimalny powrót zależy od entalpii surówki. Wartości R min będą tym niższe im zimniejsza będzie surówka:

49 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Jeżeli powrót w deflegmatorze dąży do wartości nieskończenie wysokiej ( strumień D  0 ) wtedy nachylenie linii operacyjnej „górnej” dąży do jedności: linia operacyjna pokrywać się będzie z dwusieczną układu. Odpowiada temu minimalna liczba półek teoretycznych. Aby otrzymać zadane rozfrakcjonowanie potrzebna jest pewna minimalna liczba półek.

50 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Po ustaleniu wartości R min określa się według rozpatrywanej poprzednio metody graficznej liczbę półek teoretycznych przy kilku wartościach powrotu R > R min Zależność otrzymaną przedstawia wykres gdy

51 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Zależność tę można przedstawić w postaci uogólnionej:

52 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Rektyfikacja w kolumnach uproszczonych: W niektórych przypadkach możliwe jest całkowite wyeliminowanie deflegmatora w kolumnie rektyfikacyjnej. Ma to miejsce gdy entalpia surówki jest bardzo niska (ciecz bardzo zimna). Wtedy surówkę wprowadza się na najwyższą półkę: Następuje działanie chłodzące bezpośrednio przez surówkę i kondensacja części oparów opuszczających pierwszą półkę Interpretacja graficzna na wykresach ( x, y) i entalpowym jest szczególnym przypadkiem rozwiązania ogólnego przy powrocie równym 0 (R = 0)

53 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA górna linia operacyjna dla R = 0 linia określająca maksymalną entalpię surówki przy której kolumna może pracować bez deflegmatora

54 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA izoterma destylatu linia określająca maksymalną entalpię surówki przy której kolumna może pracować bez deflegmatora W tym przypadku liczba półek będzie nieskończona ale zużycie ciepła w kotle Q w najmniejsze.

55 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Jeżeli dysponujemy surówką w stanie pary o wysokiej entalpii, wówczas możliwe jest wyeliminowanie kotła w kolumnie. Surówka jest wtedy wprowadzana na najniższa półkę i odgrywa role czynnika grzejnego. Rozwiązanie graficzne jest szczególnym przypadkiem gdy w dolnej części kolumny V d = 0 linia operacyjna dolna jest odcinkiem pionowym linia określająca minimalną entalpię surówki przy której kolumna może pracować bez kotła

56 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA linia określająca minimalną entalpię surówki przy której kolumna może pracować bez kotła izoterma cieczy wyczerpanej W tym przypadku zużycie ciepła w deflegmatorze będzie minimalne a więc i powrót będzie minimalny.

57 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Jeżeli dysponuje się dwiema surówkami o różnych stężeniach składnika lotniejszego a mianowicie ciekła S – bardziej stężoną oraz gazową G o mniejszym stężeniu tego składnika, wówczas możliwe jest wyeliminowanie kotła jak i deflegmatora.

58 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Bilans materiałowy przedstawia równanie: Punkty odpowiadające destylatowi D i cieczy wyczerpanej W leżą na izobarach. Dla tego samego rozfrakcjonowania im zimniejsza jest surówka S tym bardziej gorąca musi być surówka G.

59 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Rektyfikacja okresowa Proces ten prowadzony jest w ten sposób aby otrzymać destylat o stałym składzie mimo zmian składu cieczy w kotle. Osiągnąć to można przez odpowiednie zwiększanie powrotu w deflegmatorze. Kolumna taka pracuje jak górna część kolumny ciągłej. Znając liczbę półek teoretycznych odpowiadających danej kolumnie, można ustalić metoda graficzną związek między składem cieczy w kotle x s oraz powrotem R który musi być stosowany aby otrzymać destylat o składzie x D

60 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Rysując szereg linii operacyjnych o różnych nachyleniach, można przedstawić funkcję zależności powrotu R od składu cieczy w kotle. przypadek dla R nieskończonego

61 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Skład cieczy w kotle x jest związany z ilością otrzymanego destylatu D : skład surówki na początku procesu zależność ta wskazuje na to jak ma być zmieniany powrót R = O/D w miarę otrzymywania destylatu

62 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Proces rektyfikacji okresowej może być tez prowadzony przy stałym powrocie, wówczas skład destylatu będzie zmienny. Znając liczbę półek odpowiadającą danej kolumnie i ustalając powrót R, można graficznie określić zależność pomiędzy składem destylatu x D a składem cieczy w kotle x.

63 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Znając przebiegi krzywych określamy przebieg procesu analogicznie do destylacji różniczkowej. Z bilansu bowiem różniczkowego procesu wynika: liczba moli cieczy w kotle po scałkowaniu: liczba moli cieczy w kotle na początku procesu

64 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 17 : REKTYFIKACJA Przeciętny skład destylatu może być określony z bilansu całego procesu


Pobierz ppt "Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 16 : REKTYFIKACJA PROCESY WIELOSTOPNIOWE REKTYFIKACJA."

Podobne prezentacje


Reklamy Google