ΚΛΑΣΜΑΤΙΚΗ ΑΠΟΣΤΑΞΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΙΙ. Μ. Κροκίδα

Transcript

1 ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΦΥΣΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ ΙΙ Μ. Κροκίδα ΚΛΑΣΜΑΤΙΚΗ ΑΠΟΣΤΑΞΗ ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓ. ΣΕΔΙΑΣΜΟΥ & ΑΝΑΛΥΣΗΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ

2 Ορισμός Βασικές έννοιες Απόσταξη (Distillation) είναι ο φυσικός διαχωρισμός ενός υγρού μίγματος στα συστατικά του (ή σε κλάσματα αυτών, Κλασματική (Fractional)) βασιζόμενος στη διαφορά στις πτητικότητες (volatilities) των συστατικών αυτών (σχετικές πτητικότητες (relative volatilities)) όταν το μίγμα θερμανθεί μέχρι το βρασμό του. Απόλυτος ή μερικός διαχωρισμός Διαφορά στις πτητικότητες των συστατικών Φυσική διεργασία (χωρίς χημική αντίδραση) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 2

3 Ορισμός Βασικές έννοιες Βασική προϋπόθεση για τον διαχωρισμό των συστατικών με απόσταξη είναι: Στην ισορροπία, η συγκέντρωση του πιο πτητικού συστατικού στην αέρια φάση, είναι πάντα μεγαλύτερη από τη συγκέντρωση του υγρού (σχετική πτητικότητα του πιο πτητικού συστατικού > 1). Αν είναι ίδια, τότε η απόσταξη δεν έχει καμιά επίδραση (πχ. αζεότροπο) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 3

4 Ορισμός Βασικές έννοιες Η κινούσα δύναμη για τον διαχωρισμό των συστατικών με απόσταξη Όταν δύο φάσεις (υγρού/ατμού), που δεν βρίσκονται σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας, έρθουν σε επαφή, οι φάσεις αυτές προσπαθούν να εξαλείψουν τις όποιες διαφορές ώστε να φτάσουν στην ισορροπία. Δίσκος ισορροπίας είναι μια διάταξη στην οποία θέλουμε να επιτυγχάνονται τα εξής: πολύ καλή ανάμειξη των δύο φάσεων ώστε να ικανοποιηθεί στον μέγιστο βαθμό η «επαφή», και μηχανικός διαχωρισμός Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 4

5 Ορισμός Βασικές έννοιες Οι κυριότερες μορφές της απόσταξης είναι συνήθως: Διαφορική (differential) ή συνεχής (continuous) Απλή (simple) ή κλασματική (fractional) Ισορροπίας (flash) ή πολλών βαθμίδων (multi-stages) Εργαστηριακή (lab scale) ή βιομηχανική (industrial scale) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 5

6 Εισαγωγή Ιστορία Η απόσταξη, όπως τη γνωρίζουμε σήμερα, έχει διάφορες ιστορικές εκδοχές. Ήταν γνωστή στον αρχαίο κόσμο (Μεσοποταμία, Αίγυπτο, Κίνα, Ανατολική Ινδία, κλπ) για παραγωγή καλλυντικών, αρωμάτων και ποτών. Αργότερα, χρησιμοποιήθηκε και κατά τους Ρωμαϊκούς και Βυζαντινούς χρόνους Κάποιοι αποδίδουν στους δικούς μας προγόνους την επινόηση του άμβυκα, στην ακμή του Μυκηναϊκού πολιτισμού το 16 ο αιώνα π.χ. όταν η επεξεργασία του χαλκού ήταν ιδιαίτερα ανεπτυγμένη. Ο Αριστοτέλης τον 4 ο π.χ. γνώριζε να μετατρέπει το θαλασσινό νερό σε πόσιμο με εξάτμιση (ΜΕΤΕΩΡΟΛΟΓΙΚΑ Β). Σαφείς αναφορές για την απόσταξη του οινοπνεύματος έρχεται από τη Σχολή του Σαλέρνο τον 12 ο μ.χ. αιώνα. Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 6

7 Εισαγωγή Ιστορία Από το 16 ο και μετά υπάρχει μεγάλη εξέλιξη της απόσταξης σε διαφορετικές μορφές, εφαρμογές και εξοπλισμό Στις αρχές του 19 ου αιώνα αναπτύσσονται βασικές τεχνικές της απόσταξης όπως η προθέρμανση και η αναρροή Στις αρχές του 20 ου αιώνα, με την ανάπτυξη της βιομηχανίας πετρελαίου, εμφανίζονται οι πρώτες ακριβείς μέθοδοι σχεδιασμού όπως η McCabe-Thiele και η εξίσωση Fenske Στο τέλος του 20 ου αιώνα, η διαθεσιμότητα μεγάλων υπολογιστικών συστημάτων, επέτρεψε την εξέλιξη λεπτομερών προσομοιωτών της διεργασίας Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 7

8 Εισαγωγή Παραδείγματα Απόσταξη προϊόντων ζύμωσης (Distilled spirits) Αποστακτήρας Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 8

9 Εισαγωγή Παραδείγματα Απόσταξη προϊόντων ζύμωσης (Distilled spirits) Αποστακτήρας ουίσκι Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 9

10 Εισαγωγή Παραδείγματα Απόσταξη προϊόντων ζύμωσης (Distilled spirits) Εργοστάσιο παραγωγής ποτών Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 10

11 Εισαγωγή Παραδείγματα Απόσταξη προϊόντων ζύμωσης (Distilled spirits) Εργοστάσιο παραγωγής ποτών Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 11

12 Εισαγωγή Παραδείγματα Απόσταξη προϊόντων ζύμωσης (Distilled spirits) Εργοστάσιο παραγωγής ποτών Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 12

13 Εισαγωγή Παραδείγματα Απόσταξη πετρελαϊκών μιγμάτων (Oil refining) Η απόσταξη χρησιμοποιείται ευρύτατα στην διύλιση του αργού πετρελαίου Το αργό πετρέλαιο περιέχει ένα πολύ μεγάλο εύρος υδρογονανθράκων Οι υδρογονάνθρακες αυτοί έχουν παρουσιάζουν διαφορές στην πτητικότητα και ειδικότερα στα σημεία βρασμού Κάθε κλάσμα πετρελαίου που διαχωρίζεται χρησιμοποιείται σε πολλές βιομηχανικές (και μη) εφαρμογές Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 13

14 Εισαγωγή Παραδείγματα Απόσταξη πετρελαϊκών μιγμάτων (Oil refining) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 14

15 Εισαγωγή Παραδείγματα Απόσταξη πετρελαϊκών μιγμάτων (Oil refining) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 15

16 Εισαγωγή Παραδείγματα Απόσταξη πετρελαϊκών μιγμάτων (Oil refining) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 16

17 Εισαγωγή Παραδείγματα Απόσταξη πετρελαϊκών μιγμάτων (Oil refining) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 17

18 Εισαγωγή Παραδείγματα Αφαλάτωση νερού (Desalinizing water) Αποτελεί βασική διεργασία σε περιοχές έλλειψη καθαρού νερού Προσφέρει μια αποδοτική αν και ενεργοβόρα μέθοδο παραγωγής καθαρού νερού Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 18

19 Εισαγωγή Παραδείγματα Αφαλάτωση νερού (Desalinizing water) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 19

20 Εισαγωγή Παραδείγματα Αφαλάτωση νερού (Desalinizing water) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 20

21 Εισαγωγή Παραδείγματα Άλλες εφαρμογές Χημική βιομηχανία για παραγωγή χημικών προϊόντων Βιομηχανία τροφίμων πλην ποτών Βιομηχανία φαρμάκων Βιομηχανία καλλυντικών κ.α. Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 21

22 Εισαγωγή Εξοπλισμός Αποστακτική στήλη (distillation column) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 22

23 Εισαγωγή Εξοπλισμός Αποστακτική στήλη (distillation column) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 23

24 Εισαγωγή Εξοπλισμός Αποστακτική στήλη (distillation column) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 24

25 Εισαγωγή Εξοπλισμός Δίσκοι ισορροπίας (trays) Διάτρητοι (Sieve trays) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 25

26 Εισαγωγή Εξοπλισμός Δίσκοι ισορροπίας (trays) Με κάψες (bubble caps) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 26

27 Εισαγωγή Εξοπλισμός Δίσκοι ισορροπίας (trays) Με βαλβίδες (valves) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 27

28 Εισαγωγή Εξοπλισμός Δίσκοι ισορροπίας (trays) Πληρωτικό υλικό (packed beds) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 28

29 Εισαγωγή Εξοπλισμός Αναβραστήρας (Reboiler) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 29

30 Εισαγωγή Εξοπλισμός Αναβραστήρας (Reboiler) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 30

31 Εισαγωγή Εξοπλισμός Αναβραστήρας (Reboiler) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 31

32 Εισαγωγή Εξοπλισμός Συμπυκνωτήρας (Condenser) Ολικός συμπυκνωτήρας Μερικός συμπυκνωτήρας Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 32

33 Εισαγωγή Εξοπλισμός Συμπυκνωτήρας (Condenser) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 33

34 Εισαγωγή Εξοπλισμός Συμπυκνωτήρας (Condenser) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 34

35 Εισαγωγή Εξοπλισμός Δοχείο αναρροής (Reflux drum) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 35

36 Εισαγωγή Εξοπλισμός Λοιπός εξοπλισμός Αντλίες Βάνες Στοιχεία ελέγχου Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 36

37 Εισαγωγή Εξοπλισμός Λοιπός εξοπλισμός Αντλίες Βάνες Στοιχεία ελέγχου Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 37