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 Διαφορική (batch) Rectifying column Stripping column Πολλαπλές τροφοδοσίες προϊόντα Μερικός συμπυκνωτήρας, ολικός αναβραστήρας Εσωτερικές ανακυκλοφορίες Steam distillation Vacuum distillation Αζεοτροπική απόσταξη Extractive distillation Reactive distillation Seawater distillation (MSF, multieffect, membrane) Μοριακή απόσταξη Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 2

3 1. Διαφορική απόσταξη Η διαφορική απόσταξη, γνωστή κι ως απόσταξη Rayleigh, είναι η ασυνεχής διεργασία απόσταξης (batch distillation). Αποτελείται από ένα δοχείο που γεμίζεται με ένα αρχικό διάλυμα και θερμαίνεται με σταθερό ρυθμό. Οι ατμοί είτε συμπυκνώνονται (μία βαθμίδα) είτε οδηγούνται σε μια στήλη με δίσκους (πολλές βαθμίδες). Η σύσταση του αποστάγματος μεταβάλλεται με το χρόνο, αφού ο ατμός που παράγεται είναι εμπλουτισμένος στα πτητικά συστατικά, και συνεπώς αφήνει υγρό υπόλειμμα σταδιακά πλουσιότερο στα βαριά συστατικά. Η σταδιακή μεταβολή της σύστασης του υπολείμματος συνεπάγεται αντίστοιχη σταδιακή αύξηση με το χρόνο της θερμοκρασίας του συστήματος. Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 3

4 1. Διαφορική απόσταξη Οικονομικότερη σε μικρούς όγκους Ευκολότερη σε αλλαγές στο τελικό προϊόν, λειτουργικές και δομικές παραμέτρους, κλπ Εύκολη εναλλαγή ανάμεσα σε μίγματα Προτιμότερη σε θερμοευαίσθητες ουσίες Ευκολότερη στο έλεγχο του τελικού προϊόντος Πιο ενεργοβόρα (συνήθως) Μεγάλοι χρόνοι παραμονής Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 4

5 1. Διαφορική απόσταξη Μία βαθμίδα Έστω F η αρχική συγκέντρωση της τροφοδοσίας διάδικου μίγματος στο δοχείο και x F το γραμμομοριακό κλάσμα του πιο πτητικού συστατικού, B το ποσό που παραμένει στο δοχείο μετά από την απόσταξη ορισμένου χρόνου με σύσταση x B και x D η σύσταση των ατμών. Τότε το διαφορικό ισοζύγιο γράφεται ως εξής: B x B = (db) x D + (B - db) (x B - dx B ) το οποίο με ολοκλήρωση γίνεται: Αν ισχύει το τότε: Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 5

6 1. Διαφορική απόσταξη Πολλές βαθμίδες Γραμμή λειτουργίας: Σταθερή αναρροή Σταθερή ποιότητα αποστάγματος Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 6

7 1. Διαφορική απόσταξη Πολλές βαθμίδες Σταθερής αναρροής Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 7

8 1. Διαφορική απόσταξη Πολλές βαθμίδες Σταθερή καθαρότητα αποστάγματος Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 8

9 2. Rectifying column Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 9

10 2. Rectifying column Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 10

11 2. Rectifying column Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 11

12 2. Rectifying column Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 12

13 3. Stripping column Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 13

14 3. Stripping column Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 14

15 3. Stripping column Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 15

16 3. Stripping column Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 16

17 4. Πολλαπλές τροφοδοσίες / προϊόντα Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 17

18 4. Πολλαπλές τροφοδοσίες / προϊόντα Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 18

19 4. Πολλαπλές τροφοδοσίες / προϊόντα Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 19

20 4. Πολλαπλές τροφοδοσίες / προϊόντα Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 20

21 5. Μερικός συμπυκνωτήρας, Ολικός αναβραστήρας Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 21

22 5. Μερικός συμπυκνωτήρας, Ολικός αναβραστήρας Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 22

23 5. Εσωτερικές ανακυκλοφορίες Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 23

24 6. Απόσταξη ατμού (το νερό είναι παρόν στο σύστημα) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 24

25 6. Απόσταξη ατμού (το νερό δεν είναι παρόν στο σύστημα) Σε αυτή την περίπτωση «ζωντανός» ατμός τροφοδοτείται στη στήλη σε άμεση επαφή με το σύστημα. Βασίζεται στο γεγονός ότι το νερό δημιουργεί μη αναμείξιμα μίγματα με τους περισσότερους υδρογονάνθρακες και τα μίγματα αυτά βράζουν σε θερμοκρασία κάτω από εκείνη του νερού ή των άλλων συστατικών. Αυτό είναι ένα πολύ επιθυμητό χαρακτηριστικό, ειδικά αν η οργανική ένωση έχει υψηλό σημείο βρασμού κατά το οποίο μπορεί να είναι ασταθής ή να αποσυντίθενται. Ο ατμός χρησιμοποιείται ευρέως λόγω του υψηλού επιπέδου ενέργειας, είναι φτηνός και έχει μεγάλη διαθεσιμότητα. Η απόσταξη ατμού χρησιμοποιείται συνήθως στις ακόλουθες περιπτώσεις: Για το διαχωρισμό σχετικά μικρών ποσοτήτων πτητικών προσμείξεων Για το διαχωρισμό σημαντικών ποσοτήτων συστατικών υψηλού σημείου ζέσεως Όταν το υλικό προς απόσταξη είναι θερμικά ασταθές ή αντιδρά με άλλα συστατικά στη θερμοκρασία βρασμού Στην περίπτωση που το υλικό δεν μπορεί να αποστάζεται με έμμεση θέρμανση ακόμη και υπό χαμηλή πίεση, λόγω της υψηλής θερμοκρασίας βρασμού Σε περίπτωση στις οποίες οι άμεσοι θερμαντήρες δεν μπορεί να χρησιμοποιηθούν λόγω της επικινδυνότητας ανάφλεξης Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 25

26 7. Απόσταξη υπό κενό Αυτή η μέθοδος απόσταξης είναι παρόμοια με τη συμβατική αλλά λειτουργεί σε χαμηλότερη (μερικές φορές σχεδόν κενό) πίεση. Επιτρέπει στο μίγμα να βράσει σε χαμηλότερη θερμοκρασία και έτσι αποφεύγεται το πρόβλημα της θερμικής αποικοδόμησης. Χρειάζεται να διαχειριστεί το μεγαλύτερο όγκο των ατμών που προκύπτουν από την απόσταξη υπό χαμηλή πίεση. Μία στήλης απόσταξης κενού συνήθως έχει αρκετά μεγάλη διάμετρο και αποστάσεις δίσκων. Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 26

27 8. Αζεοτροπική απόσταξη Ο διαχωρισμός μιγμάτων που παρουσιάζουν αζεότροπο μπορεί να επιτευχθεί με τους ακόλουθους τρόπους: Διαχείριση της πίεσης λειτουργίας Προσθήκη συνδιαλύτη (entrainer) Συνδυασμός μεθόδων Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 27

28 8. Αζεοτροπική απόσταξη Διαχείριση της πίεσης λειτουργίας Pressure Swing, (Example: Acetone-Methanol) Στην πρώτη στήλη, η οποία λειτουργεί σε χαμηλότερη πίεση (1 bar), το συστατικό υψηλού σημείου ζέσεως (μεθανόλη) αφαιρείται ως προϊόν πυθμένα. Η σύσταση του προϊόντος κορυφής είναι όσο το δυνατόν πλησιέστερη προς εκείνη του αζεοτροπικού μίγματος στην πίεση αυτή. Στη δεύτερη στήλη, η πίεση αυξάνεται στα 10 bar. Στην υψηλότερη πίεση, το αζεότροπο παρουσιάζεται σε χαμηλότερη συγκέντρωση της ακετόνης, η οποία μπορεί στη συνέχεια να απομακρυνθεί ως προϊόν πυθμένα. Το προϊόν κορυφής της δεύτερης στήλης επιστρέφεται στην πρώτη στήλη (σε κατάσταση ατμού) μετά τη μείωση της πίεσης. Σε κάποια συστήματα, το αζεότροπο μπορεί ακόμα και να εξαφανιστεί σε χαμηλές πιέσεις οπότε η πλήρης απόσταξη ενός τέτοιου μίγματος είναι δυνατή με απόσταξη υπό κενό. Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 28

29 8. Αζεοτροπική απόσταξη Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 29

30 8. Αζεοτροπική απόσταξη Διαχείριση της πίεσης λειτουργίας Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 30

31 8. Αζεοτροπική απόσταξη Χρήση συνδιαλύτη (entrainer) Στην περίπτωση αυτή, ένα νέο συστατικό προστίθεται στο αρχικό μίγμα τροφοδοσίας για το σχηματισμό (ή σχεδόν το σχηματισμό) αζεοτροπικού μίγματος με ένα (ή περισσότερα) από τα συστατικά της τροφοδοσίας. Το αζεότροπο στη συνέχεια αφαιρείται είτε ως απόσταγμα είτε ως προϊόν πυθμένα. Επίσης, η προσθήκη του συστατικού μπορεί να έχει ως στόχο το «σπάσιμο» του αζεοτρόπου που σχηματίζεται από τα συστατικά τροφοδοσίας. Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 31

32 8. Αζεοτροπική απόσταξη Χρήση συνδιαλύτη (entrainer) Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 32

33 9. Εκχυλιστική απόσταξη (extractive distillation) Αυτή η διαδικασία είναι πολύ παρόμοια με αζεοτροπική απόσταξη με τη χρήση συνδιαλύτη. Η εκχυλιστική απόσταξη αναφέρεται σε εκείνες τις διεργασίες στις οποίες ένας διαλύτης υψηλού σημείου ζέσεως, προστίθεται στο μίγμα και μεταβάλλει τις σχετικές μεταβλητότητες των συστατικών στην τροφοδοσία. Η απουσία αζεοτρόπων, συν το γεγονός ότι ο διαλύτης μπορεί να ανακτηθεί με απλή απόσταξη, κάνει την εκχυλιστική απόσταξη λιγότερο πολύπλοκη και ευρύτερα χρησιμοποιούμενη διεργασία σε σχέση με την αζεοτροπική απόσταξη. Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 33

34 10. Απόσταξη με χημική αντίδραση (reactive distillation) Με την τεχνική αυτή πραγματοποιείται ταυτόχρονα η χημική αντίδραση και ο διαχωρισμός των συστατικών. Οι καταλύτες περικλείονται μέσα στη στήλη απόσταξης ως πληρωτικό υλικό. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί την απόσταξη για την απομάκρυνση των προϊόντων όπως αυτά δημιουργούνται έτσι ώστε να μετατοπιστεί η χημική ισορροπία της αντίδρασης προς μετατροπή 100%. Στην απόσταξη αυτή, μπορούν να χρησιμοποιηθούν μία ή περισσότερες τροφοδοσίες, και η ζώνη της αντίδρασης μπορεί να είναι οπουδήποτε στη στήλη, και ανάλογα με το προϊόν, αυτό μπορεί να εξέλθει είτε από την κορυφή είτε από τον πυθμένα. Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 34

35 Μάρτιος 17 ΜΦΔ ΙΙ - Κλασματική απόσταξη 35