환류비가 트레이 증류 효율에 미치는 영향

모든 증류 공정은 질량을 교환하는 접촉의 증기와 액체 위상 사이의 조성 차이에 따라 달라집니다. 증류 열에서 밀도 차이로 인해 증기가 위단계로 위쪽으로 흐르고 중력으로 인해 액체가 아래 트레이로 아래로 흐르게 됩니다. 각 트레이의 부분 기화를 실제 분리 공정으로 만들기 위해서는 액체와 증기가 여러 단계를 통해 반소적으로 흐르어야 한다. 또한 주어진 단계에 충분한 얼굴 간 영역이 있어야합니다. 포장된 증류 기둥은 작은 채널이 있는 특수 포장 재를 사용하여 작은 분기에 액체 증기 접촉을 증가시다. ^1,2 이러한 증류컬 컬럼은 포장이 내성 재료로 보다 쉽게 제조될 수 있기 때문에 용매와 부식성 유체를 회수하는 데 자주 사용됩니다. ¹ 포장된 증류열과 트레이 증류열의 주요 차이점은 포장된 열이 일반적으로 직경이 <0.6m) 작은 열에서 비용 효율적이지만 트레이 컬럼은 일반적으로 더 큰 직경에서 비용 효율적입니다. ¹ 포장된 컬럼은 저압하에서 작동할 수 있지만 트레이 열만큼 높은 유동률을 처리할 수는 없습니다. ^1,2 그러나 두 유형 모두 충분한 가스 또는 액체 유량으로 홍수(액체를 채우고 압력 강하가 크게 증가)할 수 있습니다. ^1,2 진공, 추출, 반응성 및 극저온 증류를 포함한 많은 전문화된 증류 유형이 존재한다. ^1,2

Scott 증류 열은 6개의 체 트레이로 구성되어 있으며, 각각에는 액체가 위의 트레이와 아래 트레이로 흐르는 두 개의 반 원통형 도관(다운커)이 포함되어 있습니다. 스콧 증류 기둥 벽은 유리로 만들어집니다. 따라서 기둥의 액체 흐름은 육안으로 관찰 될 수 있습니다. 부록 A에 단위의 다이어그램이 제공됩니다.

더 가벼운(더 휘발성) 성분(예를 들어, 메탄올)은 결국 증기에 집중되는 반면, 무거운 성분은 결국 액체에 집중한다. 응축된 증기 중 일부는 단일 평형 스테이지에서 주어진 분리를 얻기 위해 역류로 컬럼으로 반환되어야 합니다. 응축된 증기의 나머지 는 증류소로 채취된다. 이를 부분 역류라고 합니다. 컬럼의 하단에, 바닥 트레이(#6)로부터 의 일부 액체가 재보일러에서 기화되어 바닥 트레이에 대한 증기(boilup)를생성한다. 역류 비율은 해어 흐름을 증류하는 역류의 비율입니다:

(1)

여기서_RD는 역류 비율이고, L은 역류 속도이고, D는 두 어금강 흐름에 대한 증류율이다. 총 역류(RD → ∞)에서 작동할 때 부품의 분리는 최대이지만 제품이 수집되지 않습니다. 모든 실용적인 증류액은 경제적 최적을 달성하기 위해 종종 최소 R_D의1.2배에 가까운 유한 역류 비율로 운영되어야 합니다. 최소 R_D는 지정된 분리를 거의 달성할 수 없으며 무한한 수의 트레이가 필요합니다.

머프리 액상 트레이 효율은 출구 액체가 출구 증기와 평형에 있었다면 발생했을 변화에 의해 분할된 트레이 위에 액체 조성물의 변화로 정의된다. 단일 트레이의 머프리 효율은 다음을 통해 제공됩니다.

(2)

여기서 E_ML은 머프리 효율이고, X_n-1은 트레이 n을 입력하는 액체 조성물이고, X_n은 트레이 n을 떠나는 액체 조성물이며, X_n*은증기를 떠나는 트레이 n과 평형의 액체 조성물이다. 증기 조성Y는 용액에서 성분 질량 균형(작동 라인)에 대해 찾아야 하며 X_n*은Y 가정 평형에서 발견되어야 한다. Murphree 효율성은 종종 질량 전송 속도와 질적으로 유사하게 행동합니다, 즉, 낮은 효율성은 종종 낮은 얼굴 간 지역 또는 낮은 피상적 속도와 연관될 것입니다. 그러나, 엄지 손가락의이 규칙에 예외는 매우 높은 유량트레이의 상부에 있는 물방울로 증기에 의한 액체의 분란으로 인해 낮은 효율성을 일으킬 수 있다는 것입니다. 따라서 엔지니어는 Murphree 효율성을 활용하여 증류 열의 문제를 정확히 파악하고 내부 설계를 개선하여 모든 트레이에서 100% 효율성에 더 잘 접근할 수 있습니다.

TDU는 분산 제어 시스템의 컴퓨터 인터페이스에서 작동합니다. 인터페이스는 완전히 그래픽입니다. 열에는 트레이 6개, 총 응축기 및 부분 재보일러(부록 A)가 포함되어 있습니다. 상기 혼합물은 사료 저장소에 함유되어 있으며, 사료는 명목상 메탄올(~50wt.%), 이소프로파놀(~30wt.%), 물(~20wt.%) 으로 구성된다.

1. 총 역류 모드 시작

1. 냉각수를 켭니다. 재보일러 액체 수준이 너무 낮은 경우, 그것에 피드를 추가; 너무 높으면 하의 펌프를 사용하여 액체를 공급 탱크로 되돌려 보입니다.
2. 인터페이스에서 메인 재보일러 히터와 오른쪽 상단에 있는 장치의 스위치를 사용하여 스트립 히터를 켭니다. 재보일러 온도 컨트롤러를 수동(MAN)에 넣고, 최소 60%의 출력(OP)을 준 다음 오버헤드 증기가 응축되고 역류 드럼이 채우기를 시작할 때까지 기다립니다. 역류 예열기 전력은 재보일러 히터로 시작됩니다.
3. 역류 드럼 레벨이 50%에 도달하면 역류 흐름 컨트롤러를 AUTO에 넣고 20%의 설정점(SP)을 주고 역류 펌프를 켭니다.
4. 컨트롤러의 역류 흐름을 측정하자마자 역류 유량이 12 ~ 13%가 될 때까지 몇 초마다 세트점을 점진적으로 줄입니다(스팬 = 송신기의 총 범위).
5. 역류 예열 컨트롤러를 AUTO에 넣고 - 65 °C의 설정점 또는 상단 트레이의 온도 근처에 다른 적합한 값을 부여하십시오.
6. 역류 드럼 레벨이 25 - 75 %의 일정한 역류 드럼 레벨을 제공하기 위해 필요에 따라 역류 흐름 컨트롤러의 설정점을 변경하여 역류 속도를 수동으로 조정하기 전에 역류 속도를 50 % 이상 에 도달 할 때까지 기다립니다.
7. 모든 흐름, 레벨, 온도 및 구성이 설정점에 가깝고 2분 이상 크게 변하지 않으면 안정된 상태가 달성되었습니다.

2. 유한 역류 모드로 전환

1. 피드 흐름 컨트롤러를 AUTO에 넣고 ~120cm^3/분에해당하는 설정점을 부여합니다.
2. 피드 펌프를 켜고 예히터를 공급합니다. 피드 예열 컨트롤러를 AUTO에 넣고 -65°C 또는 피드 트레이 온도 근처의 다른 온도의 설정점을 제공합니다.
3. 역류 유량 컨트롤러를 AUTO에 넣고 시작점으로 전체 역류 케이스의 ~80%의 설정점을 부여합니다.
4. 역류 드럼에서 25 ~ 75 %의 수준을 유지하기 위해 증류소 제품 (>0 흐름으로 유동 컨트롤러조정)을 철회하십시오. 다른 지침이 특별히 수동 제어를 요구하지 않는 한 증류유 컨트롤러를 AUTO에 넣고 설정점을 조정합니다. 약 1(예: 0.8, 1.2, 1.6) 경외3개의 다른 역류 비율을 시도하지만, 증류흐름을 제공하는 값으로 열관세를 일정하게 유지하여 보일업 속도를 일정하게 유지한다.
5. 재보일러에서 60-80 %의 일정한 수준을 유지하기 위해 바닥 제품 (>0 흐름으로 흐름 컨트롤러 조정)을 철회시작합니다. 다른 지침이 특별히 수동 제어를 요구하지 않는 한 하의 흐름 컨트롤러를 AUTO에 넣고 하스 펌프를 켜고 설정점을 조정합니다. 두 제품 모두 피드 저장소로 다시 흐르어야 합니다.
6. 모든 흐름, 레벨, 온도 및 구성이 설정점에 가까울 때, 꾸준한 상태가 달성되었습니다. 흐름 컨트롤러를 조정해야 할 수 있습니다. 리콜, F = B + D (먹이 = 바닥 + 어금니 기준으로 증류, 증류소는 주로 메탄올이 될 것입니다).
7. 피드, 하의 및 증류소의 몇 mL 볼륨 샘플을 동시에 수집합니다(그림 3,부록 A 참조). 피드를 수집하려면 피드 탱크의 상단 포트를 통해 파이펫을 삽입합니다. 정상 상태당 하나의 샘플 집합만 필요합니다. 또한 곡선 바늘 주사기를 사용하여 중격 포트를 통해 각 트레이에서 액체를 샘플링 할 수 있습니다.

3. 가스 크로마토그래프 설정

가스 그로마토그래프(GC)는 공급업체의 소프트웨어를 통해 작동합니다. 기둥은 직경 1/8", 길이 2피트인 포라팍 Q입니다.

1. 메서드 및 실행 제어 창을 선택합니다. 아이콘이 채워진 메뉴 모음에서 메서드를 선택하고 START를 선택합니다. M 방법.
2. GC의 전면 패널에서 전면 입구 버튼을 누릅니다. 압력은 4.5 psi로 설정해야합니다.
3. 0.1 마이크로리터 샘플(매번 동일한 볼륨)을 주입하고 GC 전면 패널의 시작 버튼을 누릅니다. 이 소프트웨어는 경과 된 시간이 카운트 와 함께 진행 / 데이터 수집에서 '실행'을 보여줍니다.
4. 결과는 GC 피크를 포함하는 차트의 형태로 약 3 분 후에 소프트웨어 화면의 보고서에 나타납니다. 보고서를 아래로 스크롤하여 Area% 결과를 확인합니다.

4. 증류열 종료

1. 세 히터, 하의 펌프 및 피드 펌프를 모두 끕니다.
2. MAN의 역류 유량을 제외한 모든 컨트롤러를 넣고 출력(OP)을 0%로 설정합니다.
3. REFlux 유량 컨트롤러를 MAN에 넣고 OP를 20%로 설정합니다.
4. 역류 펌프재정을 켜고 역류 드럼이 비어 있을 때까지 역류 펌프를 켭니다.
5. 역류 드럼이 비어있는 즉시 역류 펌프 재정의를 벗고 역류 펌프를 끄고 REFlux 유속 컨트롤러를 MAN에 넣고 OP를 0 %로 설정합니다.
6. 6개의 트레이 온도가 60°C 미만일 때까지 냉각수를 켜고 꺼냅니다.

각 성분에 대한 적절한 응답 계수(RF_i)는주입된 분석물의 수량에 대한 신호 강도의 비율이며, 각 샘플의 wt%를 결정하는 데 사용된다.

(3)

역류 비(R_D = L/D)는 두 컬럼 트레이 효율성(일정한 사료 및 증류율)과 증류액 및 바닥의 조성에 엄청난 영향을 미칩니다. 역류 속도가 낮을수록 증류소의 메탄올 순도가 크게 감소합니다. 따라서 역류율로 작동하는 트레이 증류 장치는 일정한 증류및 바닥 비율을 분리하는 데 더 효율적입니다. 그러나 추가 역류는 더 많은 가열 (재보일러) 및 냉각 (응축기) 비용을 추가하여 운영 비용을 증가시킵니다.

머프리 액체 효율은 평형 데이터를 사용하여 6개의 트레이모두에 대한 액체 샘플 조성물로부터 중간_RD에서 계산되어 x_n*를 찾아낸다. 이러한 계산의 경우 각 섹션의 증기 및 액체 속도에 대한 일정한 어금 오버플로 가정이 적용되었습니다. 이러한 계산의 대표적인 맥케이브-틸레 플롯은 그림 1에표시됩니다. 포화 액체 사료(q = 1)는 사료가 기포점에 가깝게 가열되었기 때문에 가정하였다. 실제 사료, 증류액 및 하부 두더지 분획은 각각 0.53, 0.76 및 0.39였습니다. 예상 평형 단계수는 ~4입니다. 트레이의 실제 수는 6+1 = 7이므로 전체 열 효율은 ~57%입니다. 방정식 (2)을 다시 참조, 프로세스 시뮬레이터의 질량 균형 블록을 x n's에서y_n's를계산하는 데 사용할 수 있습니다. 그런 다음 버블 포인트 또는 플래시 블록을 사용하여 y_n's에서x_n* 값을 결정할 수 있습니다.

그림 1: 의사 바이너리 맥케이브-틸레 구조(메탄올 두더지 분수만)는 F = 2.12, D = 1.19 및 R = 1.45 gmol/min(R_D = 1.2)에서 증류를 위해 3트레이에 공급한다.

Murphree 효율성의 동향은 체 트레이 효율성, 특히 체 트레이의 질량 전송 속도와 유도에 대해 일반적으로 알려진 것과 관련하여 설명 될 수 있습니다. 유리 기둥의 경우 액체 유량이 너무 낮거나(거의 "건조" 트레이가 너무 낮거나 너무 높은(액체의 유입)를 관찰하기 쉽습니다. 어느 조건든 낮은 트레이 효율성에 기인할 수 있습니다.

Murphree 효율의 범위가 있다, 낮은 효율느린 질량 전송 속도 또는 울고 관련 되 고 ("건조" 트레이) 또는 증기에서 액체 entrainment, 또는 이들의 일부 조합 (표 1). 트레이의 위치에 따라 맨 위에 있으면 차질이 있거나 아래 쪽 트레이에서 울 수 있습니다. 표 1의 조건에서, 트레이 2는 그 보다 훨씬 더 효율적이었다, 시각적 관찰은 매우 거품이 될 것으로 나타났다, 얼굴 간 영역에서 너무 높은. 트레이 1은 더욱 거품이 있었지만 일부 훈련이 관찰 될 수 있었습니다. 이 동작은 알코올 혼합물에 대한 낮은 표면 장력의 결과입니다; 상단 두 트레이에, 거의 모든 물이 제거되었다, 일부 이소 프로판올과 주로 메탄올을 남겨 두고. 아래 트레이는 18%의 메탄올 효율만 을 보여줍니다. 이러한 가난한 효율성은 때때로 다른 화합물 (여기, 물)이 트레이에 심오한 농도 변화를 겪을 때 발견된다.

표 1: 액체 상 머프리 트레이 효율성, 메탄올¹

¹ 그림 1과동일한 조건입니다.

실험 결과는 또한 NRTL 열역학(활동 계수) 파라미터와 측정된 조성물(바닥, 증류, 사료)을 대략 재현하는 일정한 평균 트레이 효율을 가진 평형 시뮬레이터를 사용하여 시뮬레이션하였다. 평균 열 손실은 ~400W이며 측정된 변수로 시뮬레이션에 통합되었다. 도 2에서볼 수 있듯이, 100% 효율(모든 트레이에 대한 완벽한 평형)을 가정하면 증기 유량 증가에 대하여 정성적이지만 정량적이지 않은 컬럼 동작을 포착합니다. 역류 비의 변화에도 마찬가지입니다.

도 2: 정류 단면 증기 속도(L + D)의 함수로서 실험및 시뮬레이션된 증류 조성물. F = 2.12 gmol/min, R_D = 1.2, 트레이 3에 피드.

도 2는 실험증류 조성물(응축기로의 증기속도 대)을 이 컬럼의 평형 및 비평형 시뮬레이션의 예측된 결과와 비교한다. 시뮬레이션의 목표는 증류소와 하부 조성물을 가능한 한 가깝게 맞추는 것이었습니다. 비 평형 시뮬레이터는 질량 전송의 유한 비율을 가정하고 계산하기 때문에 더 나은 예측을 제공합니다. 두 가지 시뮬레이션 모두 정확한 동작을 캡처할 수 없습니다. 이론이 중간 증기 속도로 최소를 예측하지 않으므로 약간의 실험 오류 (특히 중간 실험 지점의 경우)가있을 수 있습니다. 실험 적 오류의 가능한 원인 중, 역류 스트림에 터빈 미터와 낮은 역류 유량을 정확하게 측정하기 어렵다.

트레이 증류 기둥은 종종 체 유형의 체유형이며, 증기 흐름에 대한 작은 구멍과 더 큰 다운커가 트레이에서 트레이로 중력으로 액체를 라우팅합니다. 상부 증기중 일부가 응축되어 액체 역류로 컬럼으로 반환되지만 더 휘발성 성분은 대부분 증류소에서 빠져나옵니다. Murphree 트레이 효율성을 결정하는 것은 낮은 질량 전송 속도, 울기 또는 홍수와 같은 증류 열의 특정 트레이에 문제를 정확히 찾아내는 데 중요한 것으로 나타났습니다. 높은 증기/역류 속도(R_D)는질량 전달 속도를 개선하고 울지 않으면 얼음 이송으로 인해 트레이 효율이 감소합니다. 이전 실험에서, 상부 트레이에 대한 증가된 유도체에 의해 더 높은 증기 속도의 임의의 이점이 상쇄되었다는 것을(도 2)을 관찰하였다. 이는 광성분 메탄올의 실험증류두더분수가 실제로 증기속도에 대하여 약간 감소했기 때문이다. 물론, 낮은 R_D에서,맥케이브-틸레 방법과 같은 평형 계산조차도 더 가난한 성분 분리를 예측합니다. 따라서, 다양한 역류 비에서 취한 데이터는 증류수 조성물에 더 많은 변화를 나타낼 수 있다.

플레이트 증류의 일반적인 적용 중 하나는 오일 정제입니다. 많은 정유 공장은 트레이 증류를 사용하여 원유를 여러 제품으로 분리합니다. 일반적으로 정유 공장의 첫 번째 주요 장비는 원유 스틸(보통 대기압에서 하나 이상) LPG(액화 석유 가스, 주로 프로판 부탄), 나프타(가솔린으로 개혁할 수 있는), 등유(제트 연료), 디젤 및 중가스 오일로 분리하는 원유 스틸(보통 대기압에서 하나 이상) 입니다. 이러한 분획의 대기 비등점은 ~30~400°C에서 다양합니다.³ 다른 증류소는 제품을 더욱 정제하기 위해 사용된다. ⁴ 이러한 공정에 종사하는 화학 엔지니어는 원하는 제품 믹스를 획득하고 트레이 효율성을 최적화하는 데 중점을 둡니다.

트레이 증류 컬럼은 에탄올을 증류하는 데도 사용됩니다. ⁵ 밀접한 관련 공정을 통해 연료 등급 에탄올, 맥주 및 주류와 같은 다양한 제품을 모두 증류할 수 있습니다(따라서 "증류소"라는 이름). ⁵ 에탄올/물 분리가 가장 중요하지만, 무거운 발효 제품도 하의에 제거됩니다. 대기압에서, 증류액은 아제오트로픽 조성물(78.1°C에서 95.5 wt% 에탄올)으로 제한됩니다. 추가 증류는 아제오트로픽 증류로 알려진 별도의 형태의 증류를 필요로 하지만, 추출제 또는 양호한 진공을 사용하여 추가 에탄올/물 분리가 가능하다. ⁵

N_2,O_2,Ar 등으로 공기를 분리하려면 극저온 증류가 필요합니다. ⁶ 공기는 액체 상을 얻기 위해 O₂ (-119 °C에서 5.04 MPa에서)의 임계 온도 이하로 냉각되어야합니다. 증류 시 O_2는 대부분 바닥과 증류소의 N_2에 있습니다. 그런 다음 가스 (파이프 라인) 또는 액체 (냉장 탱크 카 또는 트럭) 형태로 배송 할 수 있습니다. ⁶ 아르곤은 거의 순수한 제품을 얻기 위해 일반적으로 분리 된 공기의 유일한 다른 구성 요소입니다.

부록 A

그림 3. 스콧 증류 시스템의 P&ID 회로도