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 Στόχος: Επεξεργασία συγκεκριμένης τροφοδοσίας (ροή και σύσταση) για την παραγωγή προϊόντων επιθυμητών προδιαγραφών. Διαδικασία: Ορίζονται ή υπολογίζονται τα ακόλουθα μεγέθη: Πίεση Λειτουργίας Αριθμός Θεωρητικών Βαθμίδων Βαθμός Απόδοσης Δίσκων Αριθμός Πραγματικών Δίσκων Κατασκευαστικά στοιχεία των δίσκων με στόχο τη μέγιστη δυνατή επαφή Ατμών και Υγρού (βελτίωση απόδοσης), την ελάχιστη δυνατή πτώση πίεσης και τη σταθερότητα της λειτουργίας της στήλης Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 2

3 Πίεση λειτουργίας αποστακτικής στήλης Η εκλογή της πίεσης λειτουργίας αποτελεί βασικό βήμα στο σχεδιασμό μιας αποστακτικής στήλης γιατί επηρεάζει σημαντικά το κόστος της διεργασίας (πάγιο και λειτουργικό) έχοντας άμεση επίδραση στα ακόλουθα: Σχετική πτητικότητα, άρα ευκολία διαχωρισμού Ογκομετρική ροή ατμών, άρα διάμετρο στήλης Πάχος τοιχώματος στήλης Θερμοκρασίες λειτουργίας Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 3

4 Πίεση λειτουργίας αποστακτικής στήλης Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 4

5 Πίεση λειτουργίας αποστακτικής στήλης Στην περίπτωση ολικού συμπυκνωτήρα η ελάχιστη πίεση λειτουργίας εκλέγεται έτσι ώστε η θερμοκρασία έναρξης βρασμού (ΘΕΒ) του προϊόντος κορυφής να είναι 8-15 ο C υψηλότερη από τη θερμοκρασία του ψυκτικού μέσου (συνήθως νερού). t D =t w +Δt και P min =P ΕΒ (x Di, t D ) Η πίεση λειτουργίας ορίζεται λίγο μεγαλύτερη από την ελάχιστη ώστε τελικά το συμπύκνωμα να βγαίνει σε υπόψυκτη κατάσταση για να μην δημιουργούνται προβλήματα στις αντλίες που ακολουθούν. Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 5

6 Πίεση λειτουργίας αποστακτικής στήλης Η ψύξη είναι ακριβότερη από τη θέρμανση. Το φθηνότερο ψυκτικό μέσο είναι το φυσικό νερό (θαλασσινό, γεώτρησης, κλπ). Αν ο υπολογισμός οδηγεί σε πίεση ασύμφορα υψηλή τότε χρησιμοποιείται ψυκτικό σύστημα χαμηλής θερμοκρασίας. Άνω όριο της πίεσης λειτουργίας αποτελεί η πίεση που οδηγεί σε θερμοκρασίες λειτουργίας που προκαλούν διάσπαση συστατικών (επιλογή απόσταξης υπό κενό). Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 6

7 Αριθμός θεωρητικών βαθμίδων Γίνεται υπολογισμός με κάποια από τις σχετικές μεθοδολογίες όπως: McCabe-Thiele Fenske-Underwood-Gilliland Lewis-Matheson κλπ Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 7

8 Απόδοση δίσκων Θεωρητική βαθμίδα ορίζεται κάθε διάταξη που επιτρέπει : την άμεση επαφή δύο φάσεων έτσι ώστε τα ρεύματα εξόδου να είναι σε ισορροπία, τον διαχωρισμό των φάσεων. Λόγω του ότι ο χρόνος επαφής των φάσεων σε μια πραγματική βαθμίδα αποστακτικής στήλης (δίσκος) είναι περιορισμένος, δεν έχουμε πραγματική επίτευξη ισορροπίας. Συνεπώς απαιτούνται περισσότερεςβαθμίδες από τις θεωρητικές. Η πραγματική βαθμίδα συγκρίνεται με τη θεωρητική, μέσω του βαθμού απόδοσης. Μπορούμε να θεωρήσουμε την ολική απόδοση στήλης ως: Ε ο = Ν θεωρητικές / Ν πραγματικές Εξίσωση O Connell: E 0 = b b b b = ln ( α n L ) 2 3 ) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 8

9 Απόδοση δίσκων Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 9

10 Συνθήκες λειτουργίας δίσκων Υπάρχει ένα εύρος στους ρυθμούς ροής ατμού και υγρού στο οποίο πρέπει να λειτουργεί η στήλη. Πολύ χαμηλοί ή πολύ υψηλοί ρυθμοί μπορεί να οδηγήσουν σε διάφορες ανεπάρκειες στη λειτουργία της στήλης. Για παράδειγμα, εάν ο ρυθμός ατμών είναι πολύ μεγάλος, θα προκύψει πλημμύριση των δίσκων. Ειδικές καταστάσεις λειτουργίας: 1. Παράσυρση (entrainment) 2. Πλημμύριση (flooding) 3. Γέμισμα (priming) 4. Δάκρυσμα (weeping/dumping) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 10

11 Συνθήκες λειτουργίας δίσκων Παράσυρση (entrainment) Πλημμύριση (flooding) Δάκρυσμα (weeping/dumping) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 11

12 Μεγέθη στοιχείων αποστακτικής στήλης Σε μια αποστακτική στήλη τα κύρια μεγέθη που συμμετέχουν στον υπολογισμό του κόστους είναι: 1. Κόστος εξοπλισμού Η αποστακτική στήλη Οι δίσκοι Το δοχείο κορυφής Ο συμπυκνωτήρας Ο αναβραστήρας Άλλα στοιχεία (αντλίες, εναλλάκτες, βαλβίδες, όργανα εποπτείας & ελέγχου, κλπ) 2. Λειτουργικό κόστος Κατανάλωση ενέργειας στον αναβραστήρα Κατανάλωση ψυκτικού μέσου στο συμπυκνωτήρα Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 12

13 Μεγέθη στοιχείων αποστακτικής στήλης Μέγεθος αποστακτικής στήλης 1. Διάμετρος στήλης: Υπολογίζεται ξεχωριστά για το rectifying section και για το stripping section. Αν διαφέρουν λιγότερο από 35cm, επιλέγεται μία διάμετρος, η μεγαλύτερη. Αν διαφέρουν περισσότερο, τότε χρησιμοποιείται διαφορετική διάμετρος για κάθε section. V,L: molar flow rates M L,M V : Mean molecular weight of L, V respectively ρ V,ρ L : mass densities Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 13

14 Μεγέθη στοιχείων αποστακτικής στήλης Μέγεθος αποστακτικής στήλης 2. Ύψος στήλης: Υπολογίζεται από τον αριθμό των πραγματικών δίσκων (N) και την απόσταση ανάμεσα στους δίσκους που θα επιλεχθεί (tray spacing h) (τυπικές τιμές απόστασης 12, 18, 24, 30 ). H tot = 1.15*N*h Η 15% προσαύξηση αντιστοιχεί στο καπάκι της κορυφής και χώρο συγκέντρωσης υγρού στον πυθμένα πριν τον αναβραστήρα. Αν το ύψος υπερβεί το 60m (ή διαφορετικά Η/D>20-30) => δύο στήλες. Το ίδιο ισχύει αν D>3m. 3. Δίσκοι: Ο αριθμός και η διάμετρος των δίσκων έχει ήδη υπολογισθεί. Σημαντικό όμως στον υπολογισμό του κόστους των δίσκων είναι η σωστή επιλογή του τύπου των δίσκων αφού επηρεάζει τόσο το κόστος αγοράς τους όσο και ολόκληρη την απόδοση της στήλης. 4. Δοχείο αναρροής: Υπολογίζεται όπως το δοχείο στην απόσταξη ισορροπίας. Αν χρησιμοποιείται μερικός συμπυκνωτήρας το δοχείο είναι κατακόρυφο, ενώ αν χρησιμοποιείται ολικός τότε είναι οριζόντιο. Τοποθετείται συνήθως στο επίπεδο του εδάφους, έχει ποσοστό πλήρωσης 50% και χρόνο παραμονής του υγρού 5+ min. Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 14

15 Μεγέθη στοιχείων αποστακτικής στήλης Μέγεθος εναλλακτών 1. Αναβραστήρας: Ο σχεδιασμός του ακολουθεί του γενικούς κανόνες του σχεδιασμού των εναλλακτών που βασίζεται στον υπολογισμό της επιφάνειας εναλλαγής με βάση το φορτίο (υπολογίζεται από τα ισοζύγια ενέργειας, Q R ). Κρίσιμος παράγοντας είναι η σωστή επιλογή του τύπου του reboiler (πχ. shell and tube heat exchanger) καθώς και του θερμαντικού μέσου (πχ. Ατμός). 2. Συμπυκνωτήρας: Τα ίδια ισχύουν και για το σχεδιασμό συμπυκνωτήρα. Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 15

16 Στοιχεία κόστους αποστακτικής στήλης Συνολικό ετήσιο κόστος αποστακτικής στήλης 1. Κόστος εξοπλισμού Συνολικό κόστος βασικού εξοπλισμού Κόστος εγκατάστασης Αντλίες, βάνες, όργανα Σωληνώσεις Αυτοματοποίηση και έλεγχος Ασφάλεια 2. Κόστος λειτουργικό Ενεργειακή κατανάλωση (αναβραστήρας, προθέρμανση τροφοδοσίας, αντλίες, συμπιεστές, κλπ) Κατανάλωση ψυκτικού μέσου (νερό, αέρας, ψυκτικό, κ λπ) Λοιπά (συντήρηση, μισθοί, φόροι, ενοίκια, κλπ) Total cost = Operating Cost + Depreciation * Fixed Cost Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 16

17 Στοιχεία κόστους αποστακτικής στήλης Συνολικό ετήσιο κόστος αποστακτικής στήλης Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 17

18 Στοιχεία κόστους αποστακτικής στήλης Σχήματα εξοικονόμησης ενέργειας στην αποστακτική στήλη 1. Προθέρμανση τροφοδοσίας Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 18

19 Στοιχεία κόστους αποστακτικής στήλης Σχήματα εξοικονόμησης ενέργειας στην αποστακτική στήλη 2. Double effect distillation Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 19

20 Στοιχεία κόστους αποστακτικής στήλης Σχήματα εξοικονόμησης ενέργειας στην αποστακτική στήλη 3. Heat pumps distillation Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 20