What is the reflux ratio and how does it affect distillation separation?

The reflux ratio is the ratio of reflux rate to distillate rate in a distillation column. A higher reflux ratio improves separation quality by recycling more liquid back into the column, enhancing contact between liquid and vapor streams. However, higher reflux rates increase operating costs, so practical distillations operate in partial reflux mode to achieve economical separation while maintaining acceptable purity.

How does the McCabe-Thiele method determine the number of trays needed for separation?

The McCabe-Thiele method uses vapor-liquid equilibrium data to graphically determine separation stages. Operating lines are drawn from distillate and bottoms compositions with slopes based on reflux and boil-up ratios. Stepping between the equilibrium curve and operating lines until reaching the bottoms composition reveals the number of theoretical trays required for the desired separation.

What does Murphree tray efficiency measure and why is it important?

Murphree efficiency describes the actual change in liquid composition across a tray compared to the change if the exiting liquid were in equilibrium with the exiting vapor. Low efficiencies indicate problems like low interfacial area or low superficial velocities, enabling engineers to identify design issues and optimize column performance for better separation outcomes.

How does the boil-up ratio influence distillation column operation?

The boil-up ratio (VB) is the ratio of liquid recycled into the column to the amount of liquid leaving as bottoms. It determines the slope of the operating line from the bottoms composition in McCabe-Thiele analysis. Adjusting the boil-up ratio affects the amount of vaporization in the reboiler and influences the overall separation efficiency and product composition.

What are sieve trays and why are they used in distillation columns?

Sieve trays are support plates containing holes that allow vapor to bubble through liquid on the tray. They provide maximum interfacial area between liquid and vapor phases, promoting efficient mass transfer and separation. The increased contact area enables better component separation based on volatility differences in the mixture.

How does reflux ratio affect the purity of distillate products?

Lower reflux rates reduce the purity of distillate products because less liquid is recycled to enhance separation. Higher reflux rates improve distillate purity by providing more contact stages for volatile components to separate from heavier components. However, engineers must balance purity requirements against increased energy costs associated with higher reflux operation.

What industrial applications rely on tray distillation and efficiency optimization?

Oil refineries use tray distillation to separate crude oil into fuels like diesel, kerosene, and gasoline based on boiling points and chain length. Distilled spirits production employs tray distillation to separate ethanol from other alcohols and water. Chemical engineers optimize tray efficiencies in both applications to maximize desired product yields while minimizing operational costs.

تأثير نسبة الارتداد على كفاءة تقطير الدرج

0 مشاهدات11:20 د

يتم تشغيل TDU من واجهة كمبيوتر لنظام تحكم موزع. الواجهة رسومية بالكامل. يحتوي العمود على 6 صواني ومكثف كامل وإعادة غلاية جزئية (الملحق أ). يتم احتواء الخليط في خزان التغذية ، ويتكون العلف اسميا من الميثانول (~ 50 بالوزن ٪) ، والأيزوبروبانول (~ 30 بالوزن ٪) ، والماء (~ 20 بالوزن ٪).

1. بدء وضع الارتجاع الكلي

قم بتشغيل مياه التبريد. إذا كان مستوى سائل إعادة الغلاية منخفضا جدا ، أضف العلف إليه ؛ إذا كان مرتفعا جدا ، فاستخدم مضخة القيعان لإعادة السائل إلى خزان التغذية.
قم بتشغيل سخان إعادة الغلاية الرئيسي من الواجهة وسخانات الشريط باستخدام المفتاح الموجود على الوحدة في أعلى اليمين. ضع وحدة التحكم في درجة حرارة المرجل يدويا (MAN) ، وامنحها مخرجا (OP) لا يقل عن 60٪ ، ثم انتظر حتى يتكثف البخار العلوي وتبدأ أسطوانة الارتداد في الملء ، كما هو موضح على الواجهة. ستبدأ طاقة التسخين المسبق للارتجاع بسخان إعادة الغلاية.
عندما يصل مستوى أسطوانة الارتداد إلى 50٪ ، ضع وحدة التحكم في تدفق الارتداد في الوضع التلقائي ، وامنحها نقطة ضبط (SP) بنسبة 20٪ ، وقم بتشغيل مضخة الارتجاع.
بمجرد قياس تدفق الارتجاع على وحدة التحكم ، قم بتقليل نقطة الضبط تدريجيا بخطوات مئوية كل بضع ثوان حتى يصبح معدل تدفق الارتجاع 12-13٪ من الامتداد (الامتداد = النطاق الكلي لجهاز الإرسال).
ضع وحدة التحكم في التسخين المسبق للارتجاع في AUTO، وامنحها نقطة ضبط ~ 65 درجة مئوية، أو بعض القيم المناسبة الأخرى بالقرب من درجة حرارة الدرج العلوي.
انتظر حتى يصل مستوى أسطوانة الارتداد إلى 50٪ على الأقل قبل ضبط معدل الارتداد يدويا عن طريق تغيير نقطة الضبط على وحدة التحكم في تدفق الارتداد حسب الضرورة لتوفير مستوى أسطوانة ارتداد ثابت من 25 إلى 75٪.
عندما تكون جميع التدفقات والمستويات ودرجات الحرارة والتركيبات قريبة من نقاط الضبط الخاصة بها ولا تتغير بشكل كبير على مدى دقيقتين ، فقد تم تحقيق حالة مستقرة.

2. الانتقال إلى وضع الارتجاع المحدود

ضع وحدة التحكم في تدفق التغذية على AUTO، وامنحها نقطة ضبط تتوافق مع ~ 120 سم< فئة sup = "xref">3 / دقيقة.
قم بتشغيل مضخة التغذية والتسخين المسبق للتغذية. ضع وحدة التحكم في التسخين المسبق للتغذية في الوضع التلقائي وامنحها نقطة ضبط ~ 65 درجة مئوية أو درجة حرارة أخرى بالقرب من درجة حرارة علبة التغذية.
ضع وحدة التحكم في معدل تدفق الارتداد في AUTO وامنحها نقطة ضبط ~ 80٪ من إجمالي حالة الارتجاع كنقطة بداية.
ابدأ في سحب منتج نواتج التقطير (اضبط وحدة التحكم في التدفق على تدفق >0) للحفاظ على مستوى 25-75٪ في أسطوانة الارتجاع. ضع وحدة التحكم في تدفق نواتج التقطير في الوضع التلقائي واضبط نقطة الضبط الخاصة بها ما لم تتطلب التعليمات الأخرى على وجه التحديد التحكم اليدوي. جرب 3 نسب ارتداد مختلفة حول 1 (على سبيل المثال ، 0.8 ، 1.2 ، 1.6) ، لكن حافظ على معدل الغليان ثابتا عن طريق الحفاظ على واجب الحرارة ثابتا عند قيمة تعطي تدفق نواتج التقطير.
ابدأ في سحب منتج القيعان (اضبط وحدة التحكم في التدفق على تدفق >0) للحفاظ على مستوى ثابت بنسبة 60-80٪ في إعادة الغلاية. ضع وحدة التحكم في تدفق القيعان في الوضع التلقائي ، وقم بتشغيل مضخة القيعان ، واضبط نقطة الضبط الخاصة بها ، ما لم تتطلب التعليمات الأخرى على وجه التحديد التحكم اليدوي. يجب أن يتدفق كلا المنتجين مرة أخرى إلى خزان التغذية.
عندما تكون جميع التدفقات والمستويات ودرجات الحرارة والتركيبات قريبة من نقاط ضبطها ، يتم تحقيق حالة مستقرة. قد تحتاج وحدات التحكم في التدفق إلى التعديل. أذكر ، F = B + D (العلف = القيعان + نواتج التقطير على أساس مولاري ، وسيكون نواتج التقطير في الغالب ميثانول).
اجمع بضع عينات من حجم مل من العلف والقيعان ونواتج التقطير في نفس الوقت (انظر <فئة قوية = "xfig">الشكل 3 ، الملحق أ). لجمع العلف، أدخل ماصة من خلال المنفذ العلوي لخزان التغذية. هناك حاجة إلى مجموعة واحدة فقط من العينات لكل حالة مستقرة. من الممكن أيضا أخذ عينات من السائل من كل صينية من خلال منفذ الحاجز الخاص بها باستخدام محاقن إبرة منحنية افعل ذلك كحالة واحدة فقط من الحالات المستقرة.

< p class = "jove_title" >3. إعداد كروماتوجراف الغاز

يتم تشغيل غروماتوجراف الغاز (GC) من خلال برنامج البائع. العمود هو Porapak Q ، قطره 1/8 بوصة وطوله 2 قدم.

حدد الإطار التحكم في الطريقة والتشغيل. في شريط القائمة المملوء بالرمز ، حدد الطريقة واختر ابدأ. طريقة M.
في اللوحة الأمامية ل GC ، اضغط على زر المدخل الأمامي. يجب ضبط الضغط على 4.5 رطل لكل بوصة مربعة.
قم بحقن عينة 0.1 ميكرولتر (نفس الحجم في كل مرة) واضغط على زر البدء على اللوحة الأمامية ل GC. سيعرض البرنامج "تشغيل" قيد التقدم / الحصول على البيانات ، مع عد الوقت المنقضي.
ستظهر النتائج في تقرير على شاشة البرنامج بعد حوالي 3 دقائق في شكل مخطط يحتوي على قمم GC. قم بالتمرير لأسفل في التقرير لرؤية نتائج Area٪.

4. إغلاق عمود التقطير

قم بإيقاف تشغيل جميع السخانات الثلاثة ومضخة القيعان ومضخة التغذية.
ضع جميع وحدات التحكم باستثناء معدل تدفق الارتجاع في MAN واضبط مخرجاتها (OP) على 0٪.
ضع وحدة التحكم في معدل تدفق الارتداد في MAN واضبط OP على 20٪.
قم بتشغيل تجاوز مضخة الارتداد واترك مضخة الارتداد قيد التشغيل حتى تصبح أسطوانة الارتداد فارغة.
بمجرد أن تصبح أسطوانة الارتداد فارغة ، قم بإزالة تجاوز مضخة الارتداد ، وقم بإيقاف تشغيل مضخة الارتداد ، ووضع وحدة التحكم في معدل تدفق الارتداد في MAN ، واضبط OP على 0٪.
اترك ماء التبريد قيد التشغيل حتى تقل درجات حرارة الدرج الستة عن 60 درجة مئوية ، ثم قم بإيقاف تشغيله.

تقطير الدرج هو تقنية هندسة كيميائية حاسمة تستخدم لفصل الخلائط المركبة في مختلف البيئات الصناعية. مثل المصانع الكيماوية ومصافي النفط ومعالجة الغاز الطبيعي. يتم إجراء التقطير في عمود به العديد من المستويات المختلفة تسمى الصواني. ينتقل تيار التغذية السائل عبر العمود وبعد التعرض للحرارة يتم تكثيفه أو تبخيره ، مما يتيح فصل الخليط بناء على الاختلاف في التطاير. من أجل تصميم جهاز تقطير مثمر من حيث التكلفة ، تتم دراسة كفاءات فصل الصواني في النظام. سنحقق هنا في كفاءة فصل عمود صينية الغربال المستخدم لفصل خليط من الميثانول والأيزوبروبانول والماء.

في عمود التقطير ، يتم إدخال التغذية السائلة وتتدفق لأسفل مع الاتصال في نفس الوقت بتيار بخار متصاعد. عندما يصل السائل إلى القاع ، فإنه يدخل في إعادة الغلاية وإما يتبخر ويدخل العمود مرة أخرى أو يظل سائلا ويخرج من النظام. يحتوي هذا التيار الخارج ، المسمى القيعان ، على المكونات الأثقل. نسبة الغليان VB ، هي نسبة السائل المعاد تدويره في العمود إلى كمية السائل المتبقية في القيعان. يتدفق تيار البخار لأعلى عبر العمود ويتم تكثيفه قبل الدخول إلى أسطوانة الارتجاع. ثم يتم تقسيمها إلى تيارين. يحتوي نواتج التقطير على المكونات الأكثر تقلبا التي تخرج من النظام ، وتيار الارتجاع الذي يتم تدويره إلى العمود. يمكن أن تؤثر نسبة الارتجاع ، وهي نسبة معدل الارتجاع إلى معدل نواتج التقطير ، على كفاءة الفصل. في وضع الارتجاع الكلي ، يتم إعادة تدوير 100٪ من التدفقات مرة أخرى في العمود. ومع ذلك ، يتم تشغيل عمليات التقطير العملية في وضع الارتجاع الجزئي لتحقيق الفصل الاقتصادي. الآن دعنا نلقي نظرة على تحليل McCabe-Thiele لتحديد عدد المراحل اللازمة للفصل باستخدام بيانات VLE للمكونين. بدءا من تركيبة نواتج التقطير ، ارسم خط تشغيل بميل يساوي RD على RD زائد واحد. بدءا من تكوين القيعان ، ارسم خط تشغيل بمنحدر يساوي VB زائد واحد فوق VB. تنحى عن المؤامرة بين منحنى BLE وخطوط التشغيل حتى يتم الوصول إلى القاع. عدد الخطوات الدقيقة الأولى لإعادة الغلاية يساوي عدد الصواني المطلوبة. لتقييم الكفاءة ، يتم استخدام طريقة مورفري. تصف كفاءة Murphree لصينية واحدة ، EML ، تغير التركيب السائل على الدرج مقسوما على التغيير من تكوين السائل الخارج ، بافتراض أنه كان في حالة توازن مع البخار الخارج. غالبا ما ترتبط الكفاءات المنخفضة على الدرج بمساحة منخفضة أو سرعات سطحية منخفضة ، مما يمكن المهندسين من تحديد المشكلات في العمود وتحسين التصميم. الآن بعد أن ناقشنا كيفية عمل عمود التقطير وكيف يمكن أن تؤثر نسبة الارتجاع على الفصل ، دعنا نختبر ونوضح التأثيرات في تجربة معملية.

قبل أن تبدأ ، تعرف على وحدة تقطير الدرج. تتكون الوحدة من عمود يحتوي على ستة صواني غربال. يحتوي خزان التغذية على خليط من الميثانول بوزن 50 بالمائة ، والأيزوبروبانول 30 في المائة الوزن ، والماء 20 بالمائة من الوزن. والذي يتم توجيهه عبر مضخة إلى جهاز التسخين المسبق للتغذية ثم إلى العمود. يتم جمع نواتج التقطير من العمود في المكثف الكلي المجهز بصمام لجمع العينات. يتم استخدام أسطوانة الارتداد ومضخة الارتداد والتسخين المسبق لتوفير ارتداد مستمر يتم ضبط النسبة منه للحصول على كفاءة أفضل. أخيرا ، توفر مضخة إعادة الغلاية والقيعان تسخين الخليط ويتم استخدام صمام القيعان للحصول على العينات لتحليلها. يتم تشغيل غالبية وحدة التقطير التجاري باستخدام واجهة رسومية. لبدء تجربة وضع الارتجاع الكلي ، قم بتشغيل مياه التبريد وتحقق من مستوى سائل إعادة الغلاية. اضبط المستوى إما عن طريق إضافة سائل التغذية أو إزالة بعض السوائل باستخدام المضخة السفلية. قم بتشغيل سخان إعادة الغلاية الرئيسي وسخان الشريط. بعد ذلك ، عبر عناصر التحكم ، اضبط وحدة التحكم في درجة حرارة إعادة الغلاية على يدوي واضبط الإخراج على 60٪ على الأقل. وانتظر حتى يتكثف البخار العلوي ، ويملأ أسطوانة الارتجاع. بمجرد أن تصل أسطوانة الارتجاع إلى مستوى 50٪ ، اضبط وحدة التحكم في تدفق الارتجاع I تلقائيا بنقطة ضبط تبلغ 20٪ وقم بتشغيل مضخة الارتجاع. بمجرد قياس تدفق الارتجاع على وحدة التحكم ، قم بتقليل نقطة الضبط تدريجيا بزيادات 2٪ كل 20 إلى 30 ثانية حتى يصل معدل تدفق الارتجاع إلى 12 إلى 13٪ من الامتداد. عندما تم تنشيط سخان إعادة الغلاية ، بدأ النظام أيضا في التسخين المسبق للارتجاع. الآن اضبط وحدة التحكم في الوضع التلقائي وامنح جهاز التسخين المسبق للارتجاع نقطة ضبط تبلغ حوالي 65 درجة مئوية. تأكد من أن مستوى أسطوانة الارتداد حوالي 50٪ ، وإذا لزم الأمر ، اضبط المعدل يدويا عن طريق تغيير نقطة الضبط على وحدة التحكم في تدفق الارتداد لتوفير مستوى أسطوانة ارتداد ثابت من 25 إلى 75٪. عندما تكون جميع التدفقات والمستويات ودرجة الحرارة والتركيبات قريبة من نقاط الضبط ولا تتغير بشكل كبير لمدة دقيقتين تقريبا ، يمكن للمرء أن يقول أنه تم تحقيق حالة ثابتة لوضع الارتجاع الكلي.

الآن بعد أن وصل النظام إلى حالة مستقرة ، دعنا ننتقل إلى وضع الارتجاع المحدود. اضبط وحدة التحكم في تدفق التغذية على تلقائي بنقطة ضبط تبلغ حوالي 120 سم مكعب في الدقيقة. بعد ذلك ، قم بتشغيل مضخة التغذية والتسخين المسبق للتغذية ، واضبط وحدة التحكم في الوضع التلقائي ، وامنحها نقطة ضبط تبلغ حوالي 65 درجة مئوية. بمجرد ضبط إعدادات التغذية ، ضع وحدة التحكم في معدل تدفق الارتجاع تلقائيا واضبط نقطة البداية لتدفق الارتجاع على نقطة محددة تبلغ حوالي 80٪. ابدأ في سحب منتج نواتج التقطير للحفاظ على مستوى أسطوانة الارتداد بين 25 و 75٪. ضع وحدة التحكم في تدفق نواتج التقطير في الوضع التلقائي واضبط نقطة الضبط فوق التدفق الصفر. ابدأ في سحب منتج القيعان للحفاظ على مستوى ثابت من 60 إلى 80٪ في إعادة الغلاية. ضع وحدة التحكم في تدفق القيعان في الوضع التلقائي ، وقم بتشغيل المضخة السفلية ، واضبط نقطة الضبط على معدل تدفق أعلى من الصفر. كرر عملية الارتداد المحدود عند ثلاث نسب ارتداد مختلفة تقريبا مع الحفاظ على معدل الغليان ثابتا. يتم تنفيذ ذلك للتكيف مع حالات الثبات المختلفة في وضع الارتجاع المحدود. عندما تكون جميع التدفقات والمستويات ودرجة الحرارة والتكوين قريبة من نقاط الضبط ولا تتغير بشكل كبير ، يتم الوصول إلى حالة الثبات. بمجرد الوصول إلى الحالة الثابتة ، افتح صمامات العينة واستخدم زجاجات العينات لجمع مجموعة واحدة من ثلاثة إلى أربعة عينات من القيعان ومنتجات نواتج التقطير في نقاط العينة الخاصة بها. باستخدام ماصة، أدخلها في الجزء العلوي من خزان التغذية لجمع عينة التغذية. بعد ذلك ، باستخدام حقنة إبرة منحنية ، أدخلها من خلال منفذ الحاجز لكل درج للحصول على عينات من الدرج. قم بتأمين العينات وتحليلها باستخدام كروماتوجراف الغاز بعد الانتهاء من التجربة.

الآن بعد أن انتهيت من التجربة ، دعنا نركز على تحليل النتائج. يظهر تحليل McCabe-Thiele لهذا النظام أن هناك حاجة إلى 4.5 مراحل للفصل. على الرغم من أن النظام يستخدم ست مراحل بالإضافة إلى إعادة الغلاية. بعد ذلك ، احصل على الجزء الكتلي من العينات باستخدام بيانات GC. قم بتطبيق معادلة كفاءة صينية Murphree واحسب كفاءة كل درج. كانت الدرج الثاني أكثر كفاءة بشكل ملحوظ من نظيراتها وأظهرت الملاحظة البصرية أنها رغوية للغاية. مرتفع جدا في المنطقة البينية. كانت الصينية الأولى أكثر رغوة ، ولكن يمكن ملاحظة بعض الانجذاب. هذا السلوك هو نتيجة لانخفاض التوتر السطحي لخليط كحولي. في الدرجين العلويين ، تمت إزالة كل الماء تقريبا ، تاركا وراءه في الغالب الميثانول مع بعض الأيزوبروبانول. كان للدرج الثالث كفاءة ضعيفة في الميثانول ، وهو ما لوحظ عندما يخضع مركب مختلف ، الماء في هذه الحالة ، لتغيير عميق في التركيز على الدرج. كرر الآن الحسابات لكل نسبة ارتداد لتحديد التأثير على تكوين نواتج التقطير والقيعان. بشكل عام ، يقلل معدل الارتجاع المنخفض من نقاء الميثانول في نواتج التقطير. يحسن معدل الارتداد الأعلى الفصل بتكاليف تشغيل عالية.

أخيرا ، دعنا نلقي نظرة على تطبيقين للتقطير التجاري وقياس كفاءات الدرج في الصناعة الكيميائية. تفصل مصافي النفط الزيوت الخام إلى منتجات متعددة. يتم تسخين تيار التغذية بالزيت الخام عند الضغط الجوي. يتم فصل الوقود ، مثل زيت وقود السفن والديزل والكيروسين والنفتا والبنزين بناء على نقاط غليانها وبالتالي طول السلسلة. يستخدم المهندسون الكيميائيون كفاءات الدرج لتحسين عمليات فصل المنتجات المرغوبة. لتوليد المشروبات الروحية المقطرة مثل الفودكا أو الويسكي ، يتم غلي خليط من منتجات تخمير الحبوب المعروفة باسم الغسيل ، والتي تحتوي على 10 إلى 12٪ كحول من حيث الحجم في صورة ثابتة ويتم فصل البخار الناتج عن طريق التقطير البسيط أو التجاري. يسمح ذلك بفصل الإيثانول عن الكحوليات الأخرى مثل البروبانول والماء ، والتي لها نقاط غليان أعلى.

لقد شاهدت للتو مقدمة Jove للتقطير. يجب أن تفهم الآن عملية التقطير ، وكيفية تشغيل وحدة تقطير الصينية ، وكيفية تقييم كفاءتها. لقد رأيت أيضا العديد من تطبيقات التقطير في البيئات الصناعية. شكرا للمشاهدة.

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

المصدر: كيري إم دولي ومايكل جي بينتون ، قسم الهندسة الكيميائية ، جامعة ولاية لويزيانا ، باتون روج ، لوس أنجلوس

تستخدم كل من الدرج والأعمدة المعبأة بشك…