vegyipari és biomérnöki műveletekvebi.kkft.bme.hu/hallgatoi/desztillacio_hallgatoi.pdf · • a...

Desztilláció

Vegyipari és biomérnöki műveletek segédanyag

Simándi Béla, Székely Edit

BME, Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék

1

A desztilláció altémakörei

• A desztilláció előfordulása az iparban, mintapéldák.

Jelentősége a múltban a jelenben és a jövőben.

• Alapfogalmak. Gőz-folyadék egyensúly mérése és

számítása.

• A egyszerű szakaszos desztilláció és jellemző

készüléke.

• Folyamatos egyensúlyi desztilláció és készülékei.

• A rektifikálás és készülékei.

2

3

A történelem korai desztillációi

Desztillációs készülék az arab korszakból

Desztillációs készülék az alexandriai korszakból

4

Szakaszos lepárló 1510-es ábrázolása egy német szabadállamból, Brunschweigből

www.tanszertar.hu/eken/2007_01/na_0701.htm

http://www.tanszertar.hu/eken/2007_01/na_0701.htm

5

Méretnövelés

Olaszország, XVI. század

6

Rektifikálás (XIX. sz.)

Desztilláció az iparban

• Etanol előállítása

– Élelmiszeripar

– Vegyipar

– Bioetanol

Etanol = etil-alkohol Molekulatömege: 46 g/mol Összegképlete: C2H6O Szerkezeti képlete: CH3CH2OH Főbb tulajdonságok: színtelen, szobahőmérsékleten folyadék halmazállapotú anyag. Vízzel korlátlanul elegyedik. Leggyakrabban fermentációval állítják elő, majd desztillációval töményítik. A vízzel minimális forráspontú azeotrópot képez. Térszerkezete:

O

H

H

H

H

H

H

7



• Kőolajipari elválasztások

– frakcionálás

(további átalakítások után:

üzemanyagok, vegyipari

alapanyagok pl. a műanyagok

előállításához, oldószerek pl

festékipar számára, bitumen

az útépítésekhez és még sok

egyéb termék)

8



• Kőolajipari

elválasztások

• Szennyvíztisztítás

– Elsősorban nagy

oldószertartalmú ipari

szennyvizek

– Gázmosók vizei (lsd

abszorpció)

9

A desztilláció múltja, jelene, jövője

• Két vagy több illékony komponenst tartalmazó homogén folyadékelegy legelterjedtebb elválasztási művelete.

• Az elválasztás alapja a komponensek eltérő forrpontja.

• Segédanyag hozzáadását nem igényli, ezért környezetkímélő, de az energiaigénye nagy.

• Számos elválasztási feladatnál más elválasztó műveletekkel (még) nem helyettesíthető.

10

Alapfogalmak - forráspont

• Forráspont: egy tiszta anyag (egy komponensű anyag) forráspontja adott nyomáson jellemző az anyagra. Tehát a forráspont függ: – Az anyagi minőségtől (több összetevő, azaz komponens esetén

ezek arányától)

– És a nyomástól. Nagyobb nyomáson a tiszta anyagok forráspontja magasabb.

Ennek oka, hogy egy folyadék (akár egy, tiszta komponens akár folyadékelegy) akkor forr fel, ha a gőznyomása (tenzió, folyadékelegy esetén a parciális nyomások összege) eléri a folyadék felett uralkodó nyomást.

A víz magasabb hőfokon forr a tengerszinten mint a magas hegységekben, mert a légnyomás a tengeszinten nagyobb, mint a hegyekben.

11

Alapfogalmak – tenzió

• A tenzió (gőznyomás) egy egykomponensű (tiszta) anyag felett, a gőzterében, egyensúlyi körülmények között mérhető nyomás.

• A tenzió függ az anyagi minőségtől és a hőmérséklettől. Minden anyag tenziója nő a hőmérséklettel.

• A tenzió (p0) és a hőmérséklet (T) közötti összefüggést az Antione-egyenlettel (1888) írhatjuk le (A, B, C az adott anyagra jellemző konstansok, T a hőmérséklet):

TC

BAp

0lg

12

Alapfogalmak - illékonyság

• Az az anyag az illékonyabb, amelyik forráspontja egy adott nyomáson alacsonyabb.

• Ha egy folyadékelegy forr, akkor (általános esetben) az illékonyabb komponens dúsul a gőztérben, a folyadékban pedig nagyobb hányadban lesz a kevésbé illékony komponens.

• Több komponensű elegy esetén a j komponens illékonysága számszerűsíthető a gőzfázisban (y) és a folyadékfázisban (x) mérhető moltört hányadosával

j

j

x

y

13

Alapfogalmak - Raoult és Dalton törvények

Raoult-törvény

Ideálisnak tekinthető

gyakorlati szempontból egy

elegy, ha bármely összetételnél

(a teljes vizsgált hőmérséklet-

tartományban) igaz az elegyre

a Raoult-törvény, ahol

p0j a j-edik komponens tenziója

(Pa) adott hőmérsékleten

xj a j-edik komponens

móltörtje a folyadékfázisban.

Dalton-törvény

Parciális nyomásnak hívjuk azt a nyomást, amely az adott gáz-halmazállapotú komponens részesedése az össznyomásból. Ezt fejezi ki a Dalton-törvény, ahol pj a j-edik komponens parciális nyomása (Pa), yj a j-edik komponens móltörtje a gőzfázisban P a rendszer össznyomása (Pa).

Pyp jj jjj xpp 0

14

John Dalton(1766-1844)

Fizikus és kémikus (New College, Manchester)

Atomelmélet felelevenítése, atomsúly (D atom tömegegység)

(1800 -1802)

Dalton-törvény (1803)

Egyéb munkái: térfogatos analízis

színvakság

meteorológiai megfigyelések

az angol nyelvtan elemei

15 15

Francoise-Marie Raoult (1830-1901)

Kémikus (kémia professzor, Sens lycée, PhD Párizsi

Egyetem)

Oldatok fagyáspontcsökkenése (molekulatömeg meghatározás)

(1878-1882)

Oldatok tenziócsökennése, Raoult-törvény (1887)

Egyéb munkái: Volta-cella vizsgálata

elektromos erő

16 16

Alapfogalmak – forrpont-harmatpont és

egyensúlyi diagramok

• A diagramok megszerkeszthetőek mérési

adatokból. A méréshez tartozó nyomáson

érvényesek.

17

Gőz-folyadék egyensúlyi adatok mérése

• A rendszert elektromos fűtéssel forrásba tartjuk. A nyomásállandóságot biztosítjuk.

• A gőzfázist kerintgetjük, hogy bizotsan beálljon az egyensúly (az átbuborékoló gőz keveri a folyadékot is).

• Mintát veszünk mind a gőz mind a folyadékfázisból, meghatározzuk ezek összetételét.

18

Alapfogalmak – forrpont-harmatpont és

egyensúlyi diagramok

• A diagramok megszerkeszthetőek mérési adatokból. A méréshez tartozó nyomáson érvényesek.

• Ideális elegyeknél jól számolhatóak egyszerű modellekkel. Ideális elegy:

– Igaz a Raoult-törvény.

– Folyadék fázisban is korlátlanul elegyednek.

– Általában kémiailag közeli szerkezetűek, pl. szénhidrogének.

19

1

11

1001

CT

BA

p

21 ppP

011 pxp

Az Antoine-egyenlettel kiszámítjuk az egyes

komponensek tenzióit a két tiszta komponens

forráspontja közötti, lehetőleg egyenletesen felosztott

hőmérsékleteken. 1-es az illékonyabb komponens:

és

Egyensúlyi adatok számítása ideális

elegyek esetén

2

22

1002

CT

BA

p

A Raoult-törvény igaz, kifejezhetjük a parciális nyomást,

de x ismeretlen :

022 1 pxp

Az összenyomás a parciális nyomások összege: 20

02

01

02

pp

pPx

P

px

P

py

011

Igaz a Dalton-törvény is, amivel az illékonyabb

komponens móltörtjét kifejezhetjük a gőzfázisban:

21 ppP 011 pxp 0

22 1 pxp

02

01 1 pxpxP

02

02

01 pxppxP

02

01

02 ppxpP

Azaz kiszámoltuk minden T értékhez az x és y összetételeket. 21

Forrpont-harmatpont és egyensúlyi diagram –

közel ideális elegy

Benzol-toluol elegy, atmoszférikus nyomáson

Benzol Molekulatömege: 78 g/mol Összegképlete: C6H6

Egy aromás gyűrű alkotja. Főbb tulajdonságok: színtelen, jellegzetes szagú, szobahőmérsékleten folyadék halmazállapotú anyag. Vízzel nem elegyedik. A kőolaj feldolgozása során állítják elő, majd desztillációval tisztítják. Korábban fontos oldószer volt, azonban rákkeltő hatása miatt korlátozták az alkalmazását. A benzin kis mennyiségben jelenleg is tartalmazza adalékanyagként. Térszerkezete:

Toluol=metil-benzol Molekulatömege: 92 g/mol Összegképlete: C7H8

Főbb tulajdonságok: színtelen, jellegzetes szagú, szobahőmérsékleten folyadék halmazállapotú anyag. Vízzel nem elegyedik. A kőolaj feldolgozása során állítják elő, majd desztillációval tisztítják. Sok esetben használják a benzol kiváltására. Térszerkezete:

CH3

22

Forrpont-harmatpont és egyensúlyi diagram –

közel ideális elegy

Benzol-toluol elegy, atmoszférikus nyomáson

x y

y

x

23

Nem ideális elegyek forrpont-harmatpont

görbéi és egyensúlyi diagramja

• Nem ideális egy elegy, ha az azonos és eltérő molekulák közötti kölcsönhatás jelentősen különbözik.

• Ebben az esetben a Raoult-törvény nem igaz, a számítások során módosítások szükségesek.

• A T(x), T(y), y(x) görbék aszimmetrikussá válnak.

• Minimális vagy maximális forráspontú azeotrópok képződhetnek (az azeotróp összetételt adott nyomáson desztillációval átlépni nem lehet)

• További információ: ajánlott irodalom.

24

Minimális forráspontú azeotróp

izopropil-éter–izopropanol atmoszférikus nyomáson 25

Maximális forráspontú azeotróp

aceton-kloroform elegy atmoszférikus nyomáson

26

Minimális forráspontú heteroazeotróp elegy

etil-acetát - víz elegy atmoszférikus nyomáson 27

Egyszerű szakaszos desztilláció Kondezátor: a csövekben hűtővíz

áramlik, a csövek hideg külső falán lekondenzál a pára.

Desztillátum gyűjtő tartály. A desztillátum

a lekondenzált és összegyűjtött pára.

Üst. A duplafalú tartályt általában gőzzel fűtik úgy,

hogy a belsejében levő folyadék folyamatosan

forrásban legyen.

Kondenzedény. Csak a lekondenzált (folyadék halmazállapotú) fűtőgőz-

kondenzátumot engedi ki a túlnyomású térből, a még használhatő fűtőgőzt nem.

A vízszintes vonalon

hegyén álló háromszög

folyadékszintet jelől

28

T

x, y

x0 y1 x1

t1 időpillanat

Egyszerű szakaszos desztilláció

y2 x2

t2 időpillanat

y3 x3

t3 időpillanat

T0

T1 T2

T3

x (t)

Átlagos xD

Hűtővíz

BE

Hűtővíz

KI

Fűtőgőz

BE

Fűtőgőz-

kondenzátum

KI

y(t)

A folyadékfázis összetétele a

desztilláció során folyamatosan

változik, de minden

időpillanatban egyensúlyi

összetételű a felette levő

gőzfázissal. Az üst hőmérséklete

folyamatosan emelkedik, ahogy

a visszamaradó anyag

forráspontja nő.

A desztillátum és a maradék is

folymatosan szegényedik az

illékonyabb komponensben,

ahogy a desztillátum

mennyisége nő.

29

Egyszerű szakaszos desztilláció A pára mennyisége V, ami megegyezik

desztillátum mennyiségvel (D). Mindenkori összetétele y (illékonyabb komp. moltört) amely egyensúlyban van az ugyanabban a pillanatban az

üstben mérhető x moltörttel.

A desztillátum anyagmennyisge D (mol) összetételét az illékonyabb komponens

moltörtjével adjuk meg (xD)

Kiindulási anyagmennyiség, L0.

Illkonyebb komp. moltörtje x0

A maradék mennyisége t1 időpillanatban, L1

Illékonyabb komp. Moltörtje a maradékben x1 30

Egyszerű szakaszos desztilláció – matematikai

leírás

Az egyszerű egyszerű szakaszos desztilláció matematikai leírásakor

az alábbi egyszerűsítő feltételezésekkel élünk:

• az üstben forrásban levő folyadék és a belőle keletkező pára

minden időpillanatban egyensúlyban van,

• a pára nem visz magával folyadékcseppeket (a cseppelragadás

elkerülhető, ha nem használnak túlzottan intenzív fűtést – fontos a

fűtési sebesség szabályozása),

• a pára részlegesen sem kondenzál le a kondenzátorig vezető úton

(üst páratere és csővezetékek). Az üst és a páravezeték tökéletesen

szigetelt (nincs hőveszteség).

A matematikai leírása differenciálegyenleteket igényel az állandósult

állapot hiánya miatt, mint hogy minden egyszerű szakaszos művelet

időben változó körülményeket jelent. 31


– matematikai leírás

A Rayleigh-egyenlet és levezetése

Írjuk fel az anyag- és komponensmérleget egy elemi

időegységre (nagyon rövid időre), amit dt-vel jelölünk!

A dt idő alatt dV mennyiségű, y összetételű pára

keletkezett (ugyanennyi desztillátum, hiszen a

lekondenzáltatott pára a desztillátum) és az üstben levő

folyadék mennyisége is dL-nyivel csökkent. Az

anyagmérleg tehát:

DVL ddd

32



A Rayleigh-egyenlet és levezetése 2

yVxxLLxL d)d)(d(

yVxL

xLxLxLxL

ddd

dd

yVxLxL ddd0

yLxLxL ddd0

)(dd xyLxL

L

L

xy

x dd

0

1

0

1

L

L

x

x L

L

xy

x dd

1

00

1L

L

xy

xx

x

lnd

a differenciális komponens-mérlegegyenlet és kifejtése:

hanyagoljuk el a dLdx tagot és rendezzük 0-ra:

behelyettesítve az anyagmérlegből, hogy dL=dV

szeparáljuk a változókat 33



A Rayleigh-egyenlet és alkalmazása

1

00

1L

L

xy

xx

x

lnd

ahol

y és x az egymással egyensúlyban levő

gőz- illetve folyadékfázisbeli moltörtek,

amelyeket az egyensúlyi diagramról lehet

leolvasni;

0 a kezdeti (t0 időpillanat) 1 a végső (t1)

időpillanatra vonatkozó érték;

L a folyadék anyagmennyisége (mol) az

üstben.

Ha tehát ismert a kiindulási anyag-

mennyiség (L0) és összetétel (x0),

valamint az előírt tisztaság (x1) a

Rayleigh-egyenlettel a maradék

mennyisége (L1) számolható. 34



A desztillátummennyiség és -összetétel számítása

Ismert már L0, L1, x0, x1

A teljes anyag- és komponensmérlegből a

keresett mennyiségek kifejezhetőek:

1010 LLDDLL

D

xLxLxxDxLxL DD

11001100

elumösszetétdesztillát átlagos az ahol Dx

35

Az egyszerű szakaszos desztilláció

alkalmazása

• Egyszerű szakaszos desztillációval elvileg bármekkora

maradéktisztaság elérhető, de a gyakorlatban csak kisebb mértékű

tisztításra használják. Az ok gazdasági: a nagy tisztasághoz a

folyadék jelentős részét el kell párologtatni, aminek jelentős az

energiaigénye.

• Egyszerű szakaszos desztillációnál a desztillátum összetétele

mindig kisebb, mint a kiindulási eleggyel egyensúlyban levő páráé

és nagyobb, mint a kiindulási elegyé. Az illékonyabb

komponensből viszonylag nagy tisztaságot csak több egymás utáni

desztillációval lehet elérni (lsd. egyensúlyi diagram és

pálinkafőzés).

• Az egyszerű szakaszos deszitllációt előszeretettel alkalmazzák

kisebb léptékben, minél nagyobb mennyiségeket kell desztillálni

annál inkább a folyamatos műveletek válnak gazdaságossá. 36

Folyamatos egyensúlyi desztilláció, flash

desztilláció

• Egy egyensúlyi fokozatnak megfelelő, állandósult állapotban üzemeltetett desztillációs művelet,

• A betáplálást részlegesen elpárologtatják.

• A keletkező folyadék (a maradék) és a pára (desztillátum) egymással egyensúlyban vannak, azaz az x és y összetételek az egyensúlyi görbe egyetlen pontjának koordinátái.

• A forrási hőmérséklet a desztilláció alatt állandó.

• Készülék szempontból három különböző megoldása van.

37

Folyamatos egyensúlyi desztilláció állandó

nyomáson A pára mólárama V. Összetétele y (illékonyabb

komp. moltört) amely időben állandó és

egyensúlyban van az üstben mérhető (és az

üstből távozó) x moltörttel.

A betáplálás mólárama F. Összetétele xF

(illékonyabb komp. moltört). Az állandósult állapot feltétele, hogy a

betáplálás is időben állandó legyen.

Fűtőgőz-kondenzátum elvétel

kondenzedényen keresztül

Fűtőgőz betáplálás. A duplafalú tartály belső falán lekondenzál a fűtőgőz és így

melegíti a belső falat. A belső fal belső oldala hőt ad át a

folyadéknak, ami így folyamatosan forr.

A maradékelvétel mólárama L. Összetétele x

(illékonyabb komp. moltört) .

38

Flash desztilláció nyomáscsökkentéssel

Pára

Folyadék halmazállapotú

betáplálás. Cseppleválasztó

ciklon. A nyomáscsökkentés

hatására a forró folyadék egy része

elpárolog. A párából az el nem párolgott folyadékcseppeket

kiülepítjük, ez lesz a maradék. Előmelegítő. Nyomás alatt olyan magas

hőmérsékletre melegítjük a folyadékot, hogy még ne forrjon fel, de a

nyomáscsökkentés után már a forrpontja felett legyen.

Maradék.

Nyomáscsökkentő szelep

39

Folyamatos egyensúlyi desztilláció részleges

kondenzáltatással Pára

Gőz halmazállapotú

Betáplálás.

Cseppleválasztó ciklon. A a hűtés hatására kivált

folyadékcseppeket párából kiülepítjük, ez lesz a maradék.

Részleges kondenzátor. A gőz halmazállapotú betáplálást annyira lehűtjük, hogy a kívánt összetételű

folyadék kondenzáljon le. Maradék. 40

A folyamatos egyensúlyi desztilláció

matematikai leírása

Anyagmérleg VLF

Komponensmérleg yVxLxF F

Fejezzük ki az y-t az x függvényében, majd ábrázoljuk az egyenletet az egyensúlyi diagramon!

Az y és x értékek egyensúlyi értékek, ezért a munkapontban az egyensúlyi görbe egy pontja jelképezi. A munkapontot a kifejezett egyenes és az egyensúly görbe metszéspontja adja meg.

xV

Lx

V

Fx

V

VFx

V

F

V

xLxFy FF

F

41



FxV

Fx

V

Ly

Az egyenes meredeksége a maradék és a pára mólarányának

aránya. Ezeket mi állítjuk be a fűtés (esetleg hűtés) mértékével.

FFF

F

xxV

Fx

V

Ly

xx

ha

Tehát az egyenest egy pontja és a meredeksége ismeretében ábrázolhatjuk. 42



Folyamatos egyensúlyi

desztillációval nem lehet

tetszőleges tisztaságú párát

és maradékot előállítani.

43

Folyamatos egyensúlyi desztilláció

összefoglalás

• Ritkán használják önálló műveletként, mert csak

korlátozott tisztaság érhető el. Egy elméleti

fokozatnak megfelelő elválasztást lehet elérni.

• Nem ideális elegyek esetében (pl. hetero-

azeotrópok) speciális esetben közvetlenül is

alkalmazható.

• Egyéb folyamatos desztillációs elválasztásoknál,

pl. rektifikálás, a visszaforraló üst folyamatos

egyensúlyi desztillációnak tekinthető.

44

Folyamatos rektifikálás

• Folyamatos, állandósult állapotban végzett elválasztó művelet. Mivel folyamatos művelet, jellemzően nagy betáplálási áramok esetén gazdaságos.

• Elterjedten alkalmazzák az iparban (szénhidrogénipar; oldószerek tisztítása, visszanyerése; ipari szennyvizek tisztítása).

• Folyadék-gőz egyensúlyon alapul. Az órán csak két komponensű rendszerekről esik szó, de a valóságban sok komponens (összetevő) lehet. Kétkomponensű elegynél az illékonyabb komponens a gőzfázisban (majd a desztillátumban), a kevésbé illékony komponens a folyadékfázisban (majd a maradékban) dúsul.

• A folyamatos rektifikálást rektifikáló oszlopban végzik.

45

Folyamatos rektifikálás = többszöri részleges

elforralás illetve kondenzáltatás

Alsó oszloprész Felső oszloprész

46

Rektifikáló oszlop

• Az oszlop egy hengeres kialakítású,

leggyakrabban fémből vagy kisebb léptékben üvegből készült cső. Ezen belül helyezkednek el a tányérok vagy töltetek, amelyek a felfelé haladó pára és a lefelé csorgó folyadék intenzív érintkeztetését (keveredését) biztosítják.

• A rektifikáló oszlopba érkezik a betáplálás (F) és két anyagáramot veszünk el, a desztillátumot (D) és a maradékot (W).

• Ahhoz, hogy a felső oszloprészben is legyen lefelé csorgó folyadék, a kondenzátorban lekondenzáltatott pára (immár folyadék) egy részét visszavezetjük az oszlop tetejére (ez a reflux). Az üstbe bevezetett folyadék egy részét elforraljuk, és a keletkező párát az oszlop aljára vezetjük, így biztosítjuk a felfelé szálló párát az oszlopban.

47

Teljes anyagmérleg

A betáplálás (F), desztillátum elvétel (D)

és a maradék elvétel (W) mind

móláramban (pl. mol/s vagy kmol/h)

helyettestíthetőek be.

WDF

Rektifikálás - mérlegegyenletek

Komponensmérleg

Az összetételek moltörtben

helyettesítendőek be.

WDF xWxDxF

48

A legfontosabb, egyszerűen elvégezhető

közelítő számítások

• Minimális elméleti tányérszám meghatározása: A minimális

elméleti tányérszám az előírt elválasztásra jellemző. Minél

nagyobb ez a számérték, annál nehezebb a desztillációs

feladat. A számításhoz (szerkesztéshez) a desztilláció

nyomásán érvényes egyensúlyi diagram, valamint az előírt

desztillátum- és maradékösszetétel szükséges.

49



• Minimális elméleti tányérszám meghatározása: A minimális

elméleti tányérszám az előírt elválasztásra jellemző. Minél

nagyobb ez a számérték, annál nehezebb a desztillációs

feladat. A számításhoz (szerkesztéshez) a desztilláció

nyomásán érvényes egyensúlyi diagram, valamint az előírt


• Minimális refluxarány meghatározása

50

Refluxarány:

R=L/D

A reflux (L), desztillátum elvétel (D) és

mind móláramban (pl. mol/s vagy

kmol/h) helyettestíthetőek be, így a

refluxarány dimenzió nélküli.

Rektifikálás – refluxarány,

munkavonalak

Az állandó moláris elpárolgás

tétele alapján a pára illetve a

folyadék mólárama

oszloprészenként állandó.

51

Rektifikálás – állandó móláris túlfolyás tétele

Hívják még állandó moláris párolgás tételének vagy Lewis feltételnek is. Feltételezések:

• Az oszlop adiabatikusan működik (az oszlop jól van szigetelve, ezért nincs hőveszteség).

• A komponensek elegyítésénél felszabaduló hő (elegyítési hő) elhanyagolható.

• Az oszlopban végbemenő felmelegedési és lehűlési entalpiaváltozások elhanyagolhatók a párolgáshőhöz viszonyítva.

• A komponensek moláris párolgáshője egyenlő.

Következmény:

• Folyadék és páraáramok oszloprészenként állandóak

52

Az oszlopban a tányérokat

egyezményesen felülről lefelé

számozzuk. Az adott tányért elhagyó

(egymással egyensúlyban levő) pára és

folyadékáramok indexe a tányér száma.


munkavonalak

Az állandó moláris túlfolyás tétele

alapján:

VVVV n ...21

LLLLL n ...210

53

A komponensmérleg a felső

oszloprészre:

Rektifikálás – felső

munkavonal

Dnn xDxLyV 1

Anyagmérleg a felső oszloprészre (ugyanez az egyenlet írható fel a kondenzátorra is):

DLV

Az yn+1-et kifejezve a komponens-

mérlegegyenletből, és behelyettesítve

az anyagmérlegegyenletet:

DnDnn xLD

Dx

DL

Lx

V

Dx

V

Ly

1 54

Rektifikálás – felső

munkavonal

DnDnn xLD

Dx

DL

Lx

V

Dx

V

Ly

1

Helyettesítsük be a refluxarányt

(R=L/D):

111

R

xx

R

Ry D

nn

Az indexek elhagyásával általánosítva megkapjuk a felső munkavonal egyeletet, ami a tányérok közötti térben az egymás mellett elhaladó áramok összetétele között teremt kapcsolatot:

11

R

xx

R

Ry D

55

Rektifikálás – alsó

munkavonal

Hasonló módon felírhatjuk az anyag- és komponens-mérlegegyenleteket az alsó oszloprészre is.

A V’ és L’ különbözteti meg a móláramokat az alsó oszloprészben a felső oszloprész V és L mólaramaitól:

WVL ''

Wmm xWyVxL 1'

56

Rektifikálás – alsó

munkavonal

WVL ''

Wmm xWyVxL 1'

Az y-t kifejezve megkapjuk az

alsó oszloprész munkavonal-

egyenletét is:

Wmm xV

Wx

V

Ly

''

'1

WxV

Wx

V

Ly

''

'

57

A refluxarány ismeretében (mi szabályozzuk) a felső munkavonalat meg lehet szerkeszteni az egyensúlyi diagramon.

Az alsó munkavonal megszerkesztéséhez azonban ismernünk kell a betáplálás hőállapotát. A betáplálás hőállapota szabja meg, hogy a felső oszloprészbeli (ismert) pára és folyadék móláramoktól mennyire tér el az alsó oszloprészbeli áramoktól.


munkavonalak

WxV

Wx

V

Ly

''

'

58

Rektifikálás – a betáplálás

hőállapota

, ahol HF az xF összetételű telített gőz

fajlagos entalpiája (J/mol), hF a betáplálás

fajlagos entalpiája (J/mol), pedig az xF

összetételű elegy párolgáshője (J/mol).

F

FF hHq

A betáplálás halmazállapota és jellemzője

hF q

forráspont alatti folyadék, ún. hideg folyadék

hF < HF 1 < q

forrponti folyadék hF = HF -λF q = 1

gőz és folyadék keverék, q értéke megegyezik a folyadékhányaddal

hF = HF–q· r 0 < q < 1

telített gőz hF = HF q = 0

túlhevített gőz hF > HF q < 0 59

Rektifikálás – a betáplálás

hatása a móláramokra

F

FF hHq

LVFLV

Írjuk fel az anyagmérleget a

betáplálási tányérra:

A gőz–folyadék vegyes betáplálás esetén a

folyadékhányad (q) a lecsurgó folyadékhoz, a

gőzhányad (1-q) a felszálló gőzhöz adódik.

FqLL

FqVV )1(

60

Rektifikálás – a betáplálás hőállapota

Fxq

xq

qy

1

1

1

A q ismeretében kifejezhető és megszerkeszthető a q-vonal.

Vonjuk ki a felső munkavonal egyenletét az alsó

munkavonal egyenletéből:

DW DxWxxLLyVV )()(

WW xWxLyVxV

Wx

V

Ly ''

''

'

DDn xDxLyVxV

Dx

V

Ly

FxFxFqyFq )(1

Fxxqyq )(1

FqLL

FqVV )1(

61



• Minimális refluxarány meghatározása: Ahhoz, hogy egy

előírt desztillátum összetételt (xD) elő lehessen állítani

adott betáplálás összetétel (xF) és hőállapot (q) mellett,

a refluxaránynak el kell érnie egy minimális értéket.

62



• Minimális refluxarány meghatározása: Ahhoz, hogy egy előírt desztillátum

összetételt (xD) elő lehessen állítani adott betáplálás összetétel (xF) és hőállapot

(q) mellett, a refluxaránynak el kell érnie egy minimális értéket.

• Elméleti tányérszám meghatározása: A felső és az alsó

munkavonal megszerkesztése után, McCabe – Thiele

lépcsőszerkesztéssel.

63

Adott:

R, q, xw, xD, xF

Nelm=?

y 1

0,8

0,6

0,4

0,2

0,2

x

0

0 0,4 0,6 0,8 1

xF

q vonal

xD

yD=xD

xw

yw=xw

McCabe-Thiele-féle lépcsőszerkesztés

1R

Rtg

1q

qtg

1

3

4

2

5

6

7

Tehát: Nelm=7

1R

xD

Felső munkavonal

Alsó munkavonal

64

REKTIFIKÁLÁS Hűtővíz BE Hűtővíz KI

Fűtőgőz BE

Fűtőgőz kondenzátum KI

Betáplálás

Fenéktermék

Desztillátum

y 1

0,8

0,6

0,4

0,2

0,2

x

0

0 0,4 0,6 0,8 1

xD

yD=xD

xw

yw=xw

xF

xw

xD

1

2

3

4

5

6

7

xD y1

y2 x1

y3 x2

y4 x3

y5 x4

y6 x5

y7 x6

y8 x7

65






• Elméleti tányérszám meghatározása: A felső és az alsó munkavonal

megszerkesztése után, McCabe – Thiele lépcsőszerkesztéssel.

• Minimális elméleti tányérszám meghatározása: A

minimális elméleti tányérszám az előírt elválasztásra

jellemző. Minél nagyobb ez a számérték, annál

nehezebb a desztillációs feladat. A számításhoz

(szerkesztéshez) a desztilláció nyomásán érvényes

egyensúlyi diagram, valamint az előírt desztillátum- és

maradékösszetétel szükséges. 66








• Minimális elméleti tányérszám meghatározása: A minimális elméleti

tányérszám az előírt elválasztásra jellemző. Minél nagyobb ez a számérték,

annál nehezebb a desztillációs feladat. A számításhoz (szerkesztéshez) a

desztilláció nyomásán érvényes egyensúlyi diagram, valamint az előírt


• Oszlopátmérő számítása: terhelési tényező segítségével.

67

Rektifikálás - terhelési tényező

• A terhelési tényező (Ffaktor) meghatározza a gőz-folyadék érintkeztetés hatásosságát.

• Függ a pára üres oszlopra vonatkoztatott áramlási sebességétől (v) és a pára sűrűségétől (ρG).

• A pára sűrűsége függ: átlagos moltömeg (összetétel!), hőmérséklet (mindig forrponti az oszlopban, azaz a nyomás és az összetétel határozza meg), nyomás. A nyomás az oszlop tetejétől az alja felé nő.

GvF faktor

21

3Pa

m

kg

s

m

TR

MPG

valós0 NPPP

68

Rektifikálás – tányérhatásfok

A működési tartomány az, ahol a görbék vízszintesek 69

Rektifikálás – oszlopátmérő számítása

• Kiválasztunk egy olyan

terhelési tényező értéket

(tartományt) amelynél az

oszlop működése az

optimális tartományba esik.

70

Rektifikálás – oszlopátmérő számítása

• Kiválasztunk egy olyan terhelési tényező értéket (tartományt) amelynél az oszlop működése az optimális tartományba esik.

• A rögzített terhelési tényező mellett az oszlop tetején és az alján is kiszámítjuk az oszlopátmérőt (D0).

• Olyan átmérőt választunk amely mellett az oszlop összes tányérja megfelelő tartományban múködik.

G

Fv

faktor

P

TRVV a

0P

TRVV t

Térfogatáram az oszlop

tetején és alján

22

4

4

oo D

V

D

V

A

Vv

v

VDo

4

72



• Minimális elméleti tányérszám meghatározása: A minimális elméleti tányérszám

az előírt elválasztásra jellemző.






• Oszlopmagasság számítása: tányéros oszlop esetében az oszlop aktív magasságát

a valódi tányrészám és a tányértávolság segítségével számolhatjuk.

• Oszlopátmérő számítása: terhelési tényező segítségével.

• Oszlopmagasság számítása: tányéros oszlop esetében az

oszlop aktív magasságát a valódi tányérszám és a

tányértávolság segítségével számolhatjuk

73

Rektifikálás – oszlopmagasság számítása

• Meghatározzuk szerkesztéssel az elméleti tányérszámot (Nelm).

• A tányérhatásfok (ηtányér) felhasználásával kiszámoljuk a valódi tányérok számát. Mindig felfelé kerekítünk. A tányérhatásfok függ:

– Tányér típusa (szerkezete)

– A tányér terhelési tényezője (Ffaktor). tányér

elmvalós

NN

74

Rektifikálás – oszlopmagasság számítása

• Meghatározzuk szerkesztéssel az elméleti tányérszámot (Nelm).

• A tányérhatásfok (ηtányér) felhasználásával kiszámoljuk a valódi tányérok számát. Mindig felfelé kerekítünk. A tányérhatásfok függ:

– Tányér típusa (szerkezete)

– A tányér terhelési tényezője (Fterhelési).

• A tányérok számát megszorozzuk a tányértávolsággal.

tányér

elmvalós

NN

HNH valós

76

77

Főbb témakörök - tányéros oszlop

• Elméleti és valós tányérok

• Az üzemeltetés

• Nmin, Rmin meghatározása, a McCabe – Thiele

szerkesztés, hatásfok

• Gőzterhelés, F-faktor

• A tányéros oszlopok szerkezete, a tányérok

működése

78

Harangsapkás tányér

79

Szitatányér

80

Szelepes tányér

81

Szelepes tányér működési elve

Gő

z

Gő

z

Gő

z

Rektifikálás – töltött oszlopok

• Rendezetlen illetve rendezett töltetek lehetségesek.

• A rendezetlen töltet olcsóbb, de kisebb hatásfokú (azonos töltetmagassághoz lényegesen kisebb elválasztóképesség tartozik).

• A modern, rendezett töltetek laboratóriumi mérettől nagyüzemi méretig elérhetőek.

82

Oszlopmagasság meghatározása 1.

HETPNH

Sulzer Mellapak töltet

HETP= Height Equivalent of Theoretical Plate

83

Oszlopmagasság meghatározása 2.

• A McCabe-Thiele tányérszám számítás helyett tötlött

oszlopok esetén gyakran használják az átviteli

egységek fogalmát.

• Az átviteli egységek száma az NTU (Number of

Transfer Units)

• Az átviteli egységek magassága a HTU (Height of

Transfer Unit)

• Az alsó és felső oszloprészre külön-külön

meghatározzák. A teljes oszlopmagasság az alsó és a

felső oszloprészbe levő aktív töltetmagasság összege.

ffaa NTUHTUNTUHTU H84

Elméleti háttér

HyyAaKyV y d)(d

V

yK

a

A

mxy

páraáram a felső oszloprészben (mol/s),

anyagátbocsátási tényező (mol/(m2∙s)),

nedvesítési ténező (-),

a töltet fajlagos felülete (m2/m3),

oszlopkeresztmetszet (m2),

az a hipotetikus koncentráció, amely a

folyadékfázissal egyensúlyban lenne (-).

85

Elméleti háttér - kétfilm elmélet

xyy

m

K

11

AiAi mxy )( AiAxA xxJ

)( AAiyA yyJ

AiA

x

A yymJ

AAi

y

A yyJ

)( AAyA yyKJ

)()( AiAx

AiAx yymm

mxx

AAiAiA

yx

A yyyym

J

1

86

Oszlopmagasság számítása

HyyAaKyV y d)(d

D

F

f y

yy

H

yy

y

AaK

VHH

dd

0

yy

y

AaK

VH

y

dd

AaK

VHTU

y

f

D

F

y

y

fyy

yNTU

d

AaK

VHTU

y

a

'

F

W

y

y

ayy

yNTU

d

87

HTU számítása adott: F, R, q, xF, xD, xW

DWF

DwF xDxWxF

DwDwF xWFxWxDxWxF

DW

DF

xx

xxFW

WFD

DRV 1

AaK

VHTU

y

f

FqVV 1'

AaK

VHTU

y

a

'

88

NTU számítása

89

90

Rendezetlen töltetes oszlop

91

Rendezetlen töltetek / gyűrűk

Pall-gyűrű Kaszkád gyűrű Raschig-gyűrű

92

Rendezetlen töltetek / nyergek

Berl-nyereg Intalox-nyereg

Szuper intalox-nyereg

93

További rendezetlen töltetek

Konjugált gyűrű Lessing-gyűrű Hópehely

94

További rendezetlen töltetek

Envipack gömb Spirális töltet

Kerámia golyók

95

Rendezett töltetes oszlop

96

Rendezett töltetek

97

Folyadék elosztók

98

Töltet alátámasztások

99

Töltet lefogók

fényképek: Sulzer kolonnafelújítás

Összeszerelés 100 tonnás elem (fal + töltet) behelyezése régi kolonna felújítása során.

folyadékelosztó összeszerelése

100

Gazdasági optimum

Csökken a szükséges

oszlopmagasság (tányérszám)

Jelentősen nő az oszlop átmérője

101

Gazdasági optimum

Hűtés és fűtés

költsége

W

W

W

FqDR

FqV

VQ

11

)1

üst

D

D

DR

VQ

1

kond

102

103

Összefoglalás

• A rektifikálás a egyik legnagyobb léptékben alkalmazott művelet (kőolajfeldolgozás, gyógyszeripar, stb.).

• Tervezése, méretnövelése az anyagátadó műveletek közül a legjobban számítható, modellezhető.

• Az oszlopok kialakítása rendkívül változatos, sokszínű. A tervezéshez a durva becsléstől a pontos optimalizálásig rendelkezésre áll az eszköztár és a szakcégek.

Ajánlott irodalom

• Vegyipari műveletek 2. elektronikus tananyag (www.tankonyvtar.hu)

– 1.3.1.1-1.3.1.2 fejezetek – gőz- folyadék egyensúlyok

– 1.3.2 fejezet – desztilláció, rektifikálás alapjai

– 1.3.3 fejezet – a rektifikálás készülékei

• Vegyipari és biomérnöki számolási gyakorlat segédlete és a gyarkolat vonatkozó anyaga (http://vebi.kkft.bme.hu)

104

vegyipari és biomérnöki műveletekvebi.kkft.bme.hu/hallgatoi/desztillacio_hallgatoi.pdf · • a...

Documents