proračun kolone za destilacijsko izdvajanje etanola · proračun destilacijske kolone može se...

Proračun kolone za destilacijsko izdvajanje etanola

Izdvajanje i pročišćavanje biotehnoloških proizvoda

Seminar 6

You created this PDF from an application that is not licensed to print to novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

http://www.novapdf.com/

Proračun destilacijske kolone može se podjeliti u četiri osnovne faze:

• Određivanje podataka o ravnoteži para-kapljevina

• Izračunavanje broja idalnih plitica ili jedinica prijenosa

• Određivanje efikasnosti plitice ili punila• Dimenzioniranje kolone



Brzi postupci za proračun koriste se za:

• Preliminarno izračunavanje troškova• Parametrijsko određivanje radnih veličina• Grubo razdvajanje komponenti• Za proračun destilacije idealnih smijesa



Fizička slika-Kontinuirani destilacijski proces (rektifikacija)

DestilacijskaKondenzator

Ispa-rivač

kolona

Protok kapljevine

Protok pare

Ulazni protok (kapljevina)

Refluks kapljevina

Destilat (kapljevina)

Protok dno (kapljevina)

Protok dno (para)

Para

Voda za hlađenje

Razlika temp. vrelišta komponenti manja od 80oC



Radni pravac dna kolone (sekcija stripiranje)

Bmm xVBx

VLy 1

Iz materijalne bilance etanola za m-ti pod (pliticu) sekcija stripiranje (dno kolone) dobije se:

Protok dno (B)

Udio lakše hlapive komponente u

kapljevini na dnu kolone (XB)

Protok kapljevine

(L)

Kapljevina (X)

Nagib pravca:L/V

XB

m+1

Pod m

Isparivač

Protok pare (V)

(L)



Radni pravac vrha kolone (sekcija rektifikacije)

R-refluksni omjer;

R=L/D-kvocjent refluksa i destilata

Iz materijalne bilance za n-ti pod (pliticu) sekcija rektifikacije (vrh kolone) dobije se:

Dnn xR

xRRy

11

1 1

Dnn x

VDx

VLy 1 ILI

Destilat (D) XD

Refluks (L)

KondenzatorPod n

n-1

Kapljevina (X)

Nagib pravca:

(L)

Protok pare (V)

(V)

Udio lakše hlapive komponente na vrhu kolone (XD)



q-pravac:

q- toplinsko stanje pojne smjese

zf=xf-udio lakše hlapive komponente u pojnoj smjesi

Fxqx

qqy

11

1

Nagib q-pravca određen je stanjem pojne smjese:

q = 0 (zasićena para)q = 1 (kapljevina na tem. vrelišta)0 < q < 1 (dvije faze)q > 1 (pothlađena kapljevina)q < 0 (pregrijana para)



Numerički: Minimalni refluksni omjer (Rmin):

FD

FD

xxyx

RR

1min

min

0.2 0.4 0.6 0.8 1

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Grafički: Uvjet za Rmin je da: sjecište radnih pravaca leži na sjecištu q-pravca i ravnotežnoj krivulji. Za rad kolone uz minimalni refluksni omjer potreban je beskonačan broj plitica.

Drugi granični slučaj je kad radni pravci padnu na diagonalu (kolona radi stotalnim refluksom, potreban je minimalni broj plitica).



0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0The number of stages is 8.

xFxB xD

y

x

Ravnotežna krivulja

radni pravac gornje kolone (rektifikacije)

Dnn xR

xRRy

11

11

radni pravac donjeg dijela kolone (stripiranje)

q-pravac

Fxqx

qqy

11

1

xxy

)1(1

Bmm xVBx

VLy 1

Za realni sustav odnos refluksnih omjera je 1,2-1,5 puta veći od Rmin

Diagonalax=y



Popis simbola

x-molni udio lakše hlapive komponente u kapljevini

y-molni udio lakše hlapive komponente u pari

xB-molni udio lakše hlapive komponente na dnu kolone

xD- molni udio lakše hlapive komponente na vrhu kolone (destilatu)

xF- udio lakše hlapive komponente u pojnoj smjesi

F-protok pojne smjese

D-protok destilata

B-protok na dnu

L-protok kapljevine (refluksa)

V-protok pare

R-refluksni omjer

-relativna hlapivost (kvocjent udjel komponenata u kapljevini i pari; ukazuje na lakoću razdvajanja komponenta destilacijom)



Izračun broja idealnih pliticaMaCabe-Thiele postupak

(dvokomponentne idealne smjese)

• Relativne hlapljivosti konstantne ()• Nema gubitaka topline• Protoci su konstantni (V,L-kons.)



Primjer 1 i 2: Izračun broja plitica (N) koristeći MaCabe-Thiele-ov postupak.

Primjer 1 Treba razdijeliti smjesu etanola i vode molnogsastava 60% etanola (xF) i 40% vode tako da se dobijedestilat sa 95% etanola (xD), i proizvod dna sa 5% etanola(xB). Pojna je smjesa na tem. vrenja 89 oC, stoga jevrijednost toplinskog stanja pojene smjese 1 (q-vrijednost).Temperature vrha i dna kolone su 82 i 109 oC. Kolona jeopremljena kondenzatorom s potpunim ukapljivanjem.



Iz termodinamičkih podataka za smjesu relativna hlapljivost lakše hlapive komponente (etanola) na vrhu, dnu i točki pojenja je (Eduard Beer; Priručnik za dimenzioniranje uređaja kemijske procesne industrije 1985):

Vrh: 82 oC =2.57

Dno:109 oC = 2.32

Pojenje: 89 oC = 2.48

Kriterij za konstantnu relativnu hlapljivost :

0894.00511.02

32.257.2ln1.032.257.232.257.2

Kriterij je zadovoljen i računamo srednju vrijednost relativne hlapljivosti:

454.232.248.257.23

Primjer 1 (grafički postupak)



Ravnotežna krivulja para-kapljevina:

0.2 0.4 0.6 0.8 1

0.2

0.4

0.6

0.8

1

y

xxy

)1(1

Ravnotežna krivulja

xx-molni udio lakše hlapive komponente u kapljeviniy-molni udio lakše hlapive komponente u paria=α-relativna hlapivost komponente

x 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

y 0.214 0.380 0.513 0.621 0.710 0.786 0.851 0.908 0.957

(xF, yF,)



Minialni refluksni omjer (Rmin):

FD

FD

xxyx

RR

1min

min

883.01

469.060.095.0

786.095.01

min

min

min

min

min

R

RR

RR

Koristeči Van Winkle Todda korelaciju procjenjen je optimalni refluksni omjer (Ropt):

Ropt= Rmin• faktor korekcije=0.883 • 1.182=1.044



Radni pravac sekcije rektifikacije (vrh kolone):

Dnn xR

xRRy

11

1 1

Dnn x

VDx

VLy 1

511.01044.1

044.11

RR

VL

771.060.095.0

95.0511.0

y

yyxyx

FD

D

xF



y=0.771 je vrijednost y za radni pravac sekcije rektifikacije na q-pravcu. Radni pravac sekcije rektifikacije provlačimo kroz točke (0.95, 0.95) i (0.60, 0.771), a radni pravac sekcije stripiranja kroz točke (0.05, 0.05) i (0.60, 0.771). Za pojenje na temperaturi vrenja q=1, q-pravac je okomit na x-os.

Grafičko rješenje daje 6 plitica u sekciji rektifikacije i 8 plitica u sekciji stripiranja

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.2

0.4

0.6

0.8


xFxB xD

yD

yF

yB



DZ

• Nacrtajte MaCabe-Thiele-ov diagram koristeći podatke iz zadatka 1. (proračun kolone za destilaciju etanola).



0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.2

0.4

0.6

0.8


DZ Seminar 6 IPBP



Primjer 1 (analitički postupak proračuna idealnih plitica)

Sekcija rektifikacije (vrh kolone)

Dnn xVDx

VLy 1

511.0VL

R-refluksni omjer;

R=L/D-kvocjent refluksa i destilata044.1

DLRopt

Materijalna bilanca za 100 kmol h-1 smjese-etanol/voda (bilanca lakše hlapljive komponente):100=D+B

0.6•100=0.95 •D +0.05 •B

60=0.95 •D+0.05 •(100-D)

D=61.1 kmol h-1 B=38.9 kmol h-1

L=61.1 •1.044=63.79 kmol h-1

V=63.79/0.511=124 .83 kmol h-1

61.1/124.83 • 0.95=0.465

yn=0.511 •xn-1+0.465



xxy

)1(1

Za kondenzator s potpunim ukapljivanjem yD=xD=0.95 iz jednadžbe za ravnotežnu krivulju:

yyx

)1(1 = 0.8856

y2 = 0.511 •x1+0.465 = 0.917

2

22 )1( y

yx

= 0.8182

y3 = 0.511 •x2+0.465 = 0.883

Postupak se ponavlja dok vrijednost za x ne postane manja od vrijednosti xF , nakon posljednjeg koraka prelazimo na propačun broja podova u sekciji stripiranja (dno kolone).



Sekcija stripiranja

Bmm xVBx

VLy 1

V=124 .83 kmol h-1

B=38.9 kmol h-1

L=B+V=38.9+124.83=163.73 kmol h-1

312.183.12473.163

VL

016.005.083.1249.38

BxVB

772.0016.06.0312.11 y

)545.21(772.0*454.2772.0

)1( 1

11

y

yx

Ponavljajući postupak dok vrijednost za x ne bude manja

od xB=0.05

Rješenje: 7 plitica za sekciju rektifikacije i 8 plitica za sekcijustripiranja.

2.454



DZ

• Izračunajte analitičkim postupkom molni sastave lakše hlapive komponente (etanola) u svim pliticama destilacijske kolone iz zadatka 1. te odredite broj plitica.



Primjer 2 Srednja vrijednost relativna hlapljivost smjeseiznosi 2.45 () (primjer 1). Vrijednost toplinskog stanja pojenesmjese je 0.85 (q-vrijednost). Molni udio etanola u destilatu je0.9 (xD), u pojnoj smjesi 0.5 (xF) i na dnu 0.1 (xB).

a) Potrebno je izračunati minimalni refluksni omjer (Rmin).

b) Ako je realni refluksni omjer 1.5 puta veči od minimalnogizračunajte broj teorijskih jedinica prijenosa (N).

Riješiti u MATHEMATICI WOLFRAM



xxy

)1(1

x-molni udio u kapljeviniy-molni udio u paria=α-relativna hlapivost komponente

Ravnotežna krivulja:

Witha 2.45, a#1

1 a 1 #1 &

Primjer 2 (a)

q-pravac:

q- toplinsko stanje pojne smjese

zf=xf-udio lakše hlapive komponente u pojnoj smjesi

Withq 0.85, q#1

q 1

zf

q1 &Fxq

xqqy

11

1



Radni pravaci

WithR 1.5143, R#1

R 1

x0

R1 &

radni pravac gornje kolone (rektifikacije)

Dnn xR

xRRy

11

11

radni pravac donjeg dijela kolone (stripiranje)

ypinch#1xpinch xb ypinch

xb xpinch&

Primjer 2 (a,b)

a)

b)

a)

ypinch#1xpinch xd ypinch

xd xpinch&



Primjer 3. Koristeći McCabe-Thielov diagram iz primjera 2.(Wolfram mathematica demostration project "McCabe & ThieleGraphical Method") raspravite utjecaj promjene parametradestlacije (relativnu hlapljivost (), sastav destilata (xD), dna (xB),pojne smjese (xF) i toplinsko stanju pojne smjese (q) na promjenubroja idealnih plitica (N). Optimalna plitica za pojenje je ona kojaleži na sjecištu ravnotežnih pravaca.

http://demonstrations.wolfram.com/McCabeThieleGraphicalMethod/



proračun kolone za destilacijsko izdvajanje etanola · proračun destilacijske kolone može se...

Documents