ΑΠΟΣΤΑΞΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ Equilibrium or Flash Distillation

Transcript

1 Associate. Prof. M. Krokida School of Chemical Engineering National Technical University of Athens ΑΠΟΣΤΑΞΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ Equilibrium or Flash Distillation

2 ΑΠΟΣΤΑΞΗ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ 1. ΟΡΙΣΜΟΣ ΣΚΟΠΟΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑΣ 2. ΕΙΣΑΓΩΓΗ - Ιστορικά στοιχεία -Οπτικό υλικό (φωτός, videos, etc) -Χρήσεις, παραδείγματα -Γενικός εξοπλισμός 3. ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ -Αρχές ισορροπίας (θερμοδυναμική, Φαινόμενα μεταφοράς, κλπ) -Ειδικά διαγράμματα 4. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ -Διάγραμμα ροής -Ισοζύγια μάζας/ενέργειας -Βασικά μεγέθη/μεταβλητές -Σχεδιαστικό πρόβλημα (δεδομένα, ζητούμενα) 5. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΕΣ - Γραφική μέθοδος - Radford rice 6. ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΣ-ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΥ 7. ΕΙΔΙΚΕΣ ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ

3 Ορισμός Η απόσταξη ισορροπίας ή στιγμιαία απόσταξη αποτελεί μία απλή διεργασία διαχωρισμού, η εφαρμογή της οποίας βασίζεται στην ατμοποίηση μέρους της τροφοδοσίας εντός δοχείου και την επίτευξη ισορροπίας μεταξύ των δύο φάσεων (υγρής-αέριας) που δημιουργούνται. Η εξάτμιση αποτελεί μια από τις ευκολότερες διεργασίες διαχωρισμού. Ένα υγρό ρεύμα που περιέχει διάφορα συστατικά εξατμίζεται μερικώς σε έναν θάλαμο σε συγκεκριμένη πίεση και θερμοκρασία. Αυτό έχεις ως αποτέλεσμα τη δημιουργία δυο φάσεων: μια ατμώδη φάση, εμπλουτισμένη στα πιο πτητικά συστατικά, και μια υγρή φάση, εμπλουτισμένη στα λιγότερο πτητικά συστατικά.

4 Διάταξη Απόσταξης Ισορροπίας (1) Το υγρό συμπιέζεται και θερμαίνεται και στη συνέχεια διέρχεται μέσω ενός ακροφύσιου μέσα στο θάλαμο. Λόγω της μεγάλης πτώσης πίεσης, ένα μέρος του υγρού ατμοποιείται. Το υγρό ρεύμα συλλέγεται από τον πυθμένα ενώ το αέριο από την κορυφή. Το σύστημα ονομάζεται flash distillation καθώς η εξάτμιση είναι εξαιρετικά γρήγορη από τη στιγμή που εισέρχεται η τροφοδοσία στο θάλαμο. Λόγω της στενής επαφής μεταξύ υγρού και ατμού, το σύστημα στο θάλαμο απόσταξης είναι πολύ κοντά στο στάδιο ισορροπίας.

5 Πότε Χρησιμοποιείται η Απόσταξης Ισορροπίας; Απόσταξη Ισορροπίας= Ένα ενιαίο στάδιο ισορροπίας 1. Όταν απαιτείται πολύ ακατέργαστος διαχωρισμός π.χ. διαχωρισμός ελαίου/ νερού στη διύλιση αργού πετρελαίου 2. Όταν τα πτητικά συστατικά του μίγματος είναι πολύ διαφορετικά π.χ. αφαλάτωση νερού (4000 εργοστάσια παγκοσμίως, παράγουν 13 εκ. lt πόσιμου νερού.

6 Οριζόντια Διάταξη Απόσταξης Ισορροπίας Φίλτρο Ζώνη διαχωρισμού φάσεων Φτερά 1. Είσοδος σε δοχείο εκτόνωσης 2. Ζώνη διαχωρισμού φάσεων / Φτερά: πραγματοποίηση διαχωρισμού 3. Φίλτρο (Deminister): Συγκράτηση σταγονιδίων και επιστροφή τους στην υγρή φάση.

7 Κάθετη Διάταξη Απόσταξης Ισορροπίας

8 Εφαρμογές Απόσταξης Ισορροπίας Παραγωγή φυσικού αερίου Απομάκρυνση CO 2 και H 2 S Αναγέννηση υδρογονανθράκων Απομάκρυνση νερού Απομάκρυνση βαριών υδρογονανθράκων και Κλασματοποίηση (Απόσταξη Ισορροπίας)

9 ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΦΑΣΕΩΝ y A, y B y A + y B = 1 A. B. p vapor, T vapor p liquid, T liquid A. B. x A, x B x A + x B = 1 Τ liquid = T vapor (στην ισορροπία) p liquid = p vapor (στην ισορροπία) (Χημικό δυναμικό i) liquid = (Χημικό δυναμικό i) vapor Ρυθμός μεταφοράς μάζας = (εμβαδόν) (συντελεστής μεταφοράς μάζας) (δύναμη) Rate Volume = K y a(y A y A ) Rate Volume = K x a(x A x A ) όπου: K y και K x : ολικοί συντελεστές μεταφοράς μάζας αερίου και υγρού y A : γραμμομοριακό κλάσμα αερίου σε ισορροπία με τη συγκέντρωση του υγρού x A xa : γραμμομοριακό κλάσμα υγρού σε ισορροπία με τη συγκέντρωση του αερίου y Aa: εμβαδόν διεπιφάνειας ανά μονάδα όγκου (m2 /m 3 ).

10 Εξίσωση ισορροπίας: Προσδιορισμός K Απόσταξη Ισορροπίας y i = K i x i Μη πολικά συστατικά Υψηλές πιέσεις: K i = y i = f i x i όπου οι συντελεστές τάσης διαφυγής (f i ) υπολογίζονται με κυβικές καταστατικές εξισώσεις (π.χ. PR ή SRK). Τα Κi, όταν αναφέρονται σε ελαφρούς υδρογονάνθρακες, υπολογίζονται από ειδικές σχέσεις ή διαγράμματα (πχ. Εξισώσεις McWilliams ή Διαγράμματα depriester). Πολικά συστατικά - Χαμηλές πιέσεις: K i = γ if i s P i s Pe i f i v P όπου (Pe) i = exp v i l P P RT i s (Pe: Poynting effect) γ i υπολογίζονται με Van Laar, Wilson, UNIFAC f s i, f v i υπολογίζονται με Virial P s i υπολογίζεται με Antoine Ιδανικά διαλύματα/ Νόμος Raoult: K i = P i s P l f i v

11 Προσδιορισμός Κ- Ελαφροί Υδρογονάνθρακες Εξίσωση McWilliams lnk = a T1 T 2 + a T2 T + a T6 + a p1 lnp + a p2 p 2 + a p3 p

12 Διαγράμματα DePriester σε χαμηλές (Αριστερά) και υψηλές (Δεξιά) θερμοκρασίες- Προσδιορισμός Γραφικά

13 Απόσταξη Ισορροπίας Τα προβλήματα απόσταξης ισορροπίας λύνονται με τη χρήση τριών σετ εξισώσεων: Δεδομένα ισορροπίας Ισοζύγια μάζας Ισοζύγια ενέργειας

14 Δεδομένα Ισορροπίας Για Μίγμα Αιθανόλης- Νερού y Eth + y w = 1, x Eth + y w = 1 Τα δεδομένα ισορροπίας δίνονται ως προς το πιο πτητικό συστατικό και μπορούν να παρουσιαστούν γραφικά ως: Διάγραμμα y-x (McCabe- Thiele) Διάγραμμα T- xy Διάγραμμα ενθαλπίας- σύστασης

15 Διάγραμμα y-x (McCabe- Thiele)

16 Διάγραμμα θερμοκρασίας- σύστασης (T- xy) Υπερθερμός ατμός Μίγμα υγρούατμού Υπόψυκτο υγρό Αζεότροπο

17 Θερμοκρασία έναρξης βρασμού- υγροποίησης ΘΕΒ: V = 0 z i = x i z i = y i K i ΘΕY: L = 0 z i = y i z i = K i x i C i=1 C i=1 K i z i = 1 zi K i = 1 Προσδιορισμός κατάστασης ρεύματος διεργασίας Κατάσταση ρεύματος C i=1 K i z i C zi K i i=1 Υπόψυκτο υγρό <1 >1 Κορεσμένο υγρό =1 >1 Μίγμα ατμών- υγρού >1 >1 Κορεσμένος ατμός >1 =1 Υπερθερμός ατμός >1 <1

18 Διάγραμμα ενθαλπίας- σύστασης Σχεδιασμός ισόθερμων ενθαλπίας- σύστασης μέσω χρήσης βοηθητικής γραμμής (Auxiliary line) 1. Φέρετε κάθετη από την καμπύλη κορεσμένου υγρού στη βοηθητική γραμμή. 2. Από τη βοηθητική γραμμή, φέρετε οριζόντια προς την καμπύλη κορεσμένου ατμού. 3. Η γραμμή που συνδέει τα σημεία της καμπύλης κορεσμένου υγρού και ατμού είναι η ισόθερμη.

19 Διάγραμμα ενθαλπίας- σύστασης Σχεδιασμός ισόθερμων ενθαλπίας- σύστασης με βάση το διάγραμμα (Α) θερμοκρασίαςσύστασης και y- x 1. Φέρετε κάθετη από το σημείο Α στο σημείο Α. 2. Σε σταθερή θερμοκρασία, βρίσκεται η σύσταση του ατμού σε ισορροπία (Β ). 3. Φέρετε κάθετη από το σημείο Β στο σημείο Β. 4. Η γραμμή που συνδέει τα σημεία Α και Β είναι η ισόθερμη. Όμοια και με βάση το διάγραμμα x-y

20 Απόσταξη Ισορροπίας- Ισοζύγια Μάζας Παράμετροι Ισοζυγίου Μάζας Σύσταση Τροφοδοσίας: z Σύσταση Ατμώδους Φάσης: y Σύσταση Υγρής Φάσης: x Ρυθμός Ροής Ρεύματος Τροφοδοσίας: F Ρυθμός Ροής Υγρής Φάσης: L Ρυθμός Ροής Ατμώδους Φάσης: V P F T F F X Fi P T P F T F F X Fi P F T F V yi, Hv P F T F FL, xi, h L F z X Fi P T P T P T V yi, Hv V, y, H V V yi, Hv L, xi, h L V yi, Hv L, x, xi, h L X Fi Γενικό Ισοζύγιο Μάζας F = V + L Ισοζύγιο Μάζας Συστατικού ΓΡΑΜΜΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ y = L V x + F V z L, xi, h L F z = V y + L x

21 Εξίσωση Γραμμής Λειτουργίας (1) y = L V x + F z (1) V Γραμμομοριακό κλάσμα της τροφοδοσίας που εξατμίζεται, f = V/F L = F V L V F V = V = 1 V F V F = 1 f f (2) 1, 2 y = 1 f f x + z f Γραμμομοριακό κλάσμα τροφοδοσίας εναπομείναντος υγρού, q = L/F V = F L L V = L F L = L F 1 L F = q 1 q (3) 1, 3 y = q 1 q x q

22 Εξίσωση Γραμμής Λειτουργίας (2) y = L V x + F V z Κλίση y intercept (x=0) slope = L V = 1 f f = q 1 q x intercept (y=0) y intercept x = 0 = F V z = 1 f z = 1 1 q z x intercept y = 0 = F L z = 1 1 f z = 1 q z

23 Γραφική Λύση Απόσταξης Ισορροπίας (1) Η τομή της γραμμής ισορροπίας και της γραμμής λειτουργίας είναι το σημείο στο οποίο το σύστημα βρίσκεται σε ισορροπία x Eth =y Eth =z Eth V/F 1. Φέρετε η γραμμή y=x 2. Φέρετε η γραμμή λειτουργίας με κλίση V/F 3. Το σημείο τομής της γραμμής λειτουργίας με τη γραμμή y=x είναι η σύσταση τροφοδοσίας 4. Οι συστάσεις της υγρής και ατμώδους φάσης προσδιορίζονται από το σημείο τομής της γραμμής λειτουργίας και της καμπύλης ισορροπίας

24 Γραφική Λύση Απόσταξης Ισορροπίας (2) Κλίση Εξίσωσης λειτουργίας: L = 1, V = 0 f = 0 (Μέγιστη σύσταση της ατμώδους φάσης) L = 0, V = 1 f = 1 (Μέγιστη σύσταση της υγρής φάσης) 1 x Fi /f y γραμμή λειτουργίας -(1-f)/f f=0 L=1, V=0 y 0.4 L=0, V=1 0.2 f=1 0 x x Fi x

25 Απόσταξη Ισορροπίας- Ισοζύγια Ενέργειας Παράμετροι Ισοζυγίου Ενέργειας Ενθαλπία: h Θερμότητα θαλάμου απόσταξης: Q flash Θερμοκρασία: Τ Ρυθμός Ροής Ρεύματος Τροφοδοσίας: F Ρυθμός Ροής Υγρής Φάσης: L Ρυθμός Ροής Ατμώδους Φάσης: V P F T F F X Fi P T P F T F F X Fi P F T F V yi, Hv P F F z X Fi P T P T P T V yi, Hv V, y, H V V yi, Hv L, xi, h L V yi, Hv Γενικό Ισοζύγιο Ενέργειας T F FL, xi, h L X Fi L, x, xi, h L Fh F + Q flash = VH v + Lh L, Q flash = 0 (αδιαβατική λειτουργία) L, xi, h L Προσδιορισμός ενθαλπιών τροφοδοσίας, υγρού και αέρια ρεύματος/ Ιδανικά Μίγματα h L T, x = x A C PL,A T T ref Λανθάνουσα θερμότητα Εξάτμισης A (T ref ) h F T F, z = z A C PL,A T F T ref + x B C PL,B T T ref + z B C PL,B T F T ref H v T, y = y A λ A + C pv,a T T ref + y B λ B + C pv,b T T ref

26 Απόσταξη Ισορροπίας - Πολυσυστατικό σύστημα y i = K i x i Fz i = Lx i + Vy i Fz i = Lx i + VK i x i i = 1, C x i = Fz i L + VK i x i = Fz i F V + K i V x i = z i i = 1, C y i = K i z i i = 1, C 1 + K i 1 V F 1 + K i 1 V F C x i = 1, C y i = 1 C x i C y i = 0 C K i z i C z i = 0 i=1 i=1 i=1 i=1 i=1 1 + K i 1 V F i=1 1 + K i 1 V F f V F C = i=1 (K i 1)z i 1 + K i 1 V F = 0 Εξίσωση Rachford-Rice

27 Αλγόριθμος Επίλυσης Απόσταξης- Πολυσυστατικό σύστημα Εξισώσεις: C i=1 C i=1 z i = 1 1 (K i 1)z i 1 + K i 1 V F = 0 (2) x i = z i 1 + K i 1 V F (3) y i = K i x i (4) F = L + V (5) Q = VH v + Lh L Fh F (6)

28 Προσδιορισμός V/F (1) 1 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1-0,5-1 c i=1 y i c i=1 x i = 0

29 Διαστασιολόγηση κάθετου εξοπλισμού (1) 1. Προσδιορισμός μέγιστης επιτρεπόμενης ταχύτητας ατμού u perm = K drum ρ L ρ v ρ v, 0.1 K drum Προσδιορισμός εμπειρικής σταθεράς, K drum K drum = Const. exp A + BlnF lv + C(lnF lv ) 2 +D(lnF lv ) 3 +E(lnF lv ) 4 F lv = W L W v ρ v ρ L, Const. = 1.0 ft/s όπου W L, W V : ρυθμός υγρής και ατμώδους φάσης 3. Προσδιορισμός ρυθμού ροής ατμού V lbmol u perm ( ft s )(36000s h = h )A c (ft 2 )ρ v ( lbm ft 3 ) MW vapor ( lbm lbmol ) 4. Εμβαδόν, Διάμετρος και Ύψος θαλάμου κάθετου θαλάμου απόσταξης ισορροπίας A c = V(MW v ) u perm (3600)ρ v D = 4A c π 0.1 h total /D 0.35

30 Διαστασιολόγηση οριζόντιου εξοπλισμού (2) Εμβαδόν και Διάμετρος οριζόντιου θαλάμου απόσταξης ισορροπίας A T = VMW v u perm 3600 ρ v D = VMW v u perm 3600 ρ v C D = VRT, ιδανικά αέρια u perm 3600 C P όπου u perm = K drum ρ L ρ v ρ v, K horizontal = 1.25K vertical