L'effetto del rapporto di riflusso sull'efficienza della distillazione dei vassoi

Tutti i processi di distillazione dipendono dalle differenze di composizione tra le fasi vapore e liquido a contatto che si scambiano massa. In una colonna di distillazione, le differenze di densità fanno sì che il vapore fluisca verso l'alto verso lo stadio superiore e la gravità fa sì che il liquido scorra verso il basso verso il vassoio sottostante. Al fine di rendere la vaporizzazione parziale in ogni vassoio in un pratico processo di separazione, il liquido e il vapore devono fluire in controcorrente attraverso più fasi. Ci deve anche essere sufficiente area interfacciale su ogni fase. Le colonne di distillazione imballate utilizzano materiale di imballaggio specializzato con piccoli canali per aumentare il contatto liquido-vapore nei quartieri più piccoli. ^1,2 Queste colonne di distillazione sono spesso utilizzate per recuperare solventi e fluidi corrosivi perché l'imballaggio può essere più facilmente fabbricato con materiali resistenti. ¹ Una delle principali differenze tra le colonne di distillazione imballate e le colonne di distillazione dei vassoi è che le colonne imballate sono solitamente più economiche nelle colonne di diametro più piccolo (ad esempio, <0,6 m), mentre le colonne del vassoio sono solitamente più convenienti a diametri maggiori. ^{1 Le} colonne imballate possono funzionare a bassa pressione, ma non possono gestire portate di liquido elevate come le colonne del vassoio. ^1,2 Tuttavia, entrambi i tipi possono allagarsi (riempirsi di liquido e avere un aumento significativo della caduta di pressione) a portate di gas o liquido sufficientemente elevate. ^1,2 Esistono molti tipi specializzati di distillazione, tra cui la distillazione sottovuoto, estrattiva, reattiva e criogenica. ^1,2

La colonna di distillazione Scott è composta da sei vassoi setaccio, ognuno dei quali comprende due condotti semicilindrici (downcomers) per il flusso di liquido dal vassoio sopra e al vassoio sottostante. La parete della colonna di distillazione Scott è in vetro; quindi il flusso di liquido nella colonna può essere osservato ad occhio nudo. Un diagramma dell'unità è fornito nell'appendice A.

I componenti più leggeri (più volatili) (ad esempio, metanolo) alla fine si concentrano nel vapore, mentre i componenti più pesanti alla fine si concentrano nel liquido. Parte del vapore condensato deve essere restituito alla colonna come reflusso per ottenere qualsiasi separazione oltre quella data da un singolo stadio di equilibrio. Il resto del vapore condensato viene raccolto come distillato. Questo è chiamato reflusso parziale. Nella parte inferiore della colonna, parte del liquido dal vassoio inferiore (#6) viene vaporizzato in un ribollitore per generare vapore (l'ebollizione)per il vassoio inferiore. Il rapporto di reflusso è il rapporto tra reflusso e flussi molari distillati:

(1)

dove R_D è il rapporto di riflusso, L è il tasso di riflusso e D è il tasso di distillato per entrambi i flussi molari. Quando si opera a riflusso totale (R_D → ∞), la separazione dei componenti è al massimo, ma non viene raccolto alcun prodotto. Tutte le distillazioni pratiche devono essere operate con un rapporto di reflusso finito, che è spesso vicino a 1,2 volte il minimo R_S, per raggiungere un optimum economico. Il minimo R_D può a malapena raggiungere la separazione specificata e richiederebbe un numero infinito di vassoi.

L'efficienza del vassoio in fase liquida di Murphree è definita come il cambiamento nella composizione del liquido su un vassoio diviso per il cambiamento che si sarebbe verificato se il liquido in uscita fosse stato in equilibrio con il vapore in uscita. L'efficienza di Murphree per un singolo vassoio è data da:

(2)

dove E_ML è l'efficienza di Murphree, X_n-1 è la composizione liquida che entra nel vassoio n, X_n è la composizione liquida che esce dal vassoio n e X_n* è la composizione liquida in equilibrio con il vassoio di uscita dal vapore n. La composizione del vapore Y deve essere trovata dalla soluzione al bilancio di massa del componente (la linea operativa), e X_n* si trova da Y assumendo l'equilibrio. Le efficienze di Murphree spesso si comportano qualitativamente simili alle velocità di trasferimento di massa, cioè basse efficienze sarebbero spesso associate a basse aree interfacciali o basse velocità superficiali. Tuttavia, un'eccezione a questa regola empirica è che portate molto elevate possono anche causare basse efficienze a causa del trascinamento del liquido da parte del vapore come goccioline nella parte superiore di un vassoio. Pertanto, gli ingegneri utilizzano le efficienze Murphree per individuare i problemi nelle colonne di distillazione e per migliorare il design interno per avvicinarsi meglio all'efficienza del 100% su tutti i vassoi.

Il TDU è gestito da un'interfaccia computer di un sistema di controllo distribuito. L'interfaccia è interamente grafica. La colonna contiene 6 vassoi, un condensatore totale e un ribolier parziale (Appendice A). La miscela è contenuta nel serbatoio di alimentazione e l'alimentazione è costituita nominalmente da metanolo (~ 50 wt.%), isopropanolo (~ 30 wt.%) e acqua (~ 20 wt.%).

1. Avvio della modalità reflusso totale

1. Accendere l'acqua di raffreddamento. Se il livello del liquido del reboiler è troppo basso, aggiungi mangime ad esso; se troppo alto, utilizzare la pompa di fondo per restituire il liquido al serbatoio di alimentazione.
2. Accendere il riscaldatore del riboiler principale dall'interfaccia e i riscaldatori a striscia utilizzando l'interruttore sull'unità in alto a destra. Mettere il regolatore di temperatura del reboiler in manuale (MAN), dargli un'uscita (OP) di almeno il 60%, quindi attendere che il vapore aereo si condensi e che il tamburo di riflusso inizi a riempirsi, come si vede sull'interfaccia. La potenza del preriscaldatore di riflusso si avvierà con il riscaldatore del ribolore.
3. Quando il livello del tamburo di riflusso raggiunge il 50%, inserire il regolatore di flusso del riflusso in AUTO, dargli un setpoint (SP) del 20% e accendere la pompa di riflusso.
4. Non appena si misura un flusso di reflusso sul controller, diminuire gradualmente il setpoint in passi di una percentuale ogni pochi secondi fino a quando la portata del reflusso è del 12 - 13% dell'intervallo (span = la portata totale del trasmettitore).
5. Mettere il controller di preriscaldazione del reflusso in AUTO e dargli un setpoint di ~ 65 ° C o qualche altro valore adatto vicino alla temperatura del vassoio superiore.
6. Attendere che il livello del tamburo di riflusso raggiunga almeno il 50% prima di regolare manualmente la velocità di riflusso modificando il setpoint sul regolatore di flusso di riflusso, se necessario, per fornire un livello costante del tamburo di riflusso del 25 - 75%.
7. Quando tutti i flussi, i livelli, le temperature e le composizioni sono vicini ai loro setpoint e non cambiano in modo significativo nell'arco di 2 minuti, lo stato stazionario è stato raggiunto.

2. Transizione alla modalità reflusso finito

1. Metti il controller del flusso di alimentazione su AUTO e dagli un setpoint corrispondente a ~ 120 cm³/ min.
2. Accendere la pompa di alimentazione e il preriscaldatore di alimentazione. Mettere il controller di preriscaldazione di alimentazione in AUTO e dargli un setpoint di ~ 65 ° C o altra temperatura vicina a quella della temperatura del vassoio di alimentazione.
3. Mettere il regolatore della portata del reflusso in AUTO e dargli un setpoint di ~ 80 % del caso di reflusso totale come punto di partenza.
4. Iniziare a prelevare il prodotto distillato (regolare il regolatore di flusso su >0) per mantenere un livello del 25 - 75% nel tamburo di riflusso. Inserire il regolatore di flusso del distillato in AUTO e regolarne il setpoint a meno che altre istruzioni non richiedano specificamente il controllo MANUALE. Prova 3 diversi rapporti di riflusso intorno a 1 (ad esempio, 0,8, 1,2, 1,6), ma mantieni costante la velocità di ebollizione mantenendo costante il servizio di calore a un valore che dà flusso di distillato.
5. Iniziare a prelevare il prodotto del fondo (regolare il regolatore di flusso su >0 flusso) per mantenere un livello costante del 60-80 % nel reboiler. Inserire il regolatore di flusso del fondo in AUTO, accendere la pompa del fondo e regolarne il setpoint, a meno che altre istruzioni non richiedano specificamente il controllo MANUALE. Entrambi i prodotti dovrebbero tornare al serbatoio di alimentazione.
6. Quando tutti i flussi, i livelli, le temperature e le composizioni sono vicini ai loro setpoint, lo stato stazionario è stato raggiunto. Potrebbe essere necessario regolare i regolatori di flusso; richiamo, F = B + D (mangime = fondi + distillato su base molare, e il distillato sarà per lo più metanolo).
7. Raccogliere contemporaneamente alcuni campioni di volume mL del mangime, dei fondi e del distillato (cfr. figura 3,appendice A). Per raccogliere il mangime, inserire una pipetta attraverso la porta superiore del serbatoio di alimentazione. È necessario un solo set di campioni per stato stazionario. È anche possibile campionare il liquido da ciascun vassoio attraverso la sua porta del setto usando siringhe ad ago curve Fare questo come solo uno degli stati stazionario.

3. Impostazione del gascromatografo

Il gas ghromatografo (GC) viene azionato tramite il software del fornitore. La colonna è Porapak Q, 1/8 "di diametro e 2 piedi di lunghezza.

1. Selezionare la finestra Metodo ed Esegui controllo. Nella barra dei menu piena di icone, selezionare Metodo e fare clic su START. Metodo M.
2. Sul pannello frontale del GC, premere il pulsante ingresso frontale. La pressione deve essere impostata su 4,5 psi.
3. Iniettare un campione di microlitteri da 0,1 (ogni volta lo stesso volume) e premere il pulsante Start sul pannello frontale GC. Il software mostrerà 'Run' in Progress / Data Acquisition, con il conteggio del tempo trascorso.
4. I risultati appariranno in un rapporto sullo schermo del software dopo circa 3 minuti sotto forma di un grafico contenente i picchi GC. Scorri verso il basso il report per visualizzare i risultati dell'Area%.

4. Spegnimento della colonna Distillazione

1. Spegnere tutti e tre i riscaldatori, la pompa di fondo e la pompa di alimentazione.
2. Inserire tutti i controllori tranne la portata di reflusso in MAN e impostare le loro uscite (OP) allo 0%.
3. Inserire il regolatore di portata del reflusso in MAN e impostare il suo OP su 20%.
4. Accendere l'override della pompa di reflusso e lasciare accesa la pompa di reflusso fino a quando il tamburo di reflusso non è vuoto.
5. Non appena il tamburo di riflusso è vuoto, togliere l'override della pompa di reflusso, spegnere la pompa di reflusso, inserire il regolatore della portata del reflusso in MAN e impostare il suo OP su 0%.
6. Lasciare l'acqua di raffreddamento accesa fino a quando tutte e sei le temperature del vassoio sono inferiori a 60 °C, quindi spegnerla.

Il fattore di risposta appropriato (RF_i) per ciascun componente, che è il rapporto tra l'intensità del segnale e la quantità di analita iniettato ed è fornito nel software, viene utilizzato per determinare il wt% di ciascun campione.

(3)

Il rapporto di riflusso (R_D = L/D) ha un enorme effetto sia sull'efficienza del vassoio della colonna (a velocità di alimentazione e distillato costanti) sia sulla composizione del distillato e dei fondi. Un tasso di reflusso più basso riduce notevolmente la purezza del metanolo del distillato. Pertanto, un apparecchio di distillazione a vassoio che opera a una maggiore velocità di riflusso ma a tassi di distillato e di fondo costanti sarà più efficiente per la separazione. Tuttavia, il reflusso aggiuntivo aumenta i costi operativi aggiungendo ulteriori costi di riscaldamento (reboiler) e raffreddamento (condensatore).

Le efficienze del liquido di Murphree sono state calcolate a un R_D intermedio dalle composizioni del campione liquido per tutti e sei i vassoi utilizzando i dati di equilibrio per trovare x_n^*. Per questi calcoli, è stata applicata l'ipotesi di trabocco molare costante sulle velocità di vapore e liquido in ciascuna sezione. Un grafico rappresentativo di McCabe-Thiele di questi calcoli è mostrato nella Figura 1. È stato assunto un mangime liquido saturo (q = 1), poiché il mangime è stato riscaldato per avvicinarsi al suo punto di bolla. Le frazioni moli effettive di mangime, distillato e fondo erano rispettivamente 0,53, 0,76 e 0,39. Il numero previsto di stadi di equilibrio è ~4. Il numero effettivo di vassoi è 6+1 = 7, quindi l'efficienza complessiva della colonna è di circa il 57%. Facendo riferimento all'equazione (2), un blocco di bilancio di massa in un simulatore di processo potrebbe essere usato per calcolare gli y_n's dalle x_n's. Quindi un punto di bolla o un blocco flash potrebbe essere usato per determinare i valori x_n* da y_n's.

Figura 1: Costruzione pseudo-binaria di McCabe-Thiele (solo frazioni moli di metanolo) per una distillazione a F = 2,12, D = 1,19 e R = 1,45 gmol/min (R_D = 1,2), alimentazione al vassoio 3.

Le tendenze nell'efficienza di Murphree possono essere spiegate in termini di ciò che è generalmente noto sull'efficienza del vassoio del setaccio, in particolare sulle velocità di trasferimento di massa e sul trascinamento sui vassoi del setaccio. Per una colonna di vetro, è facile osservare dove la portata del liquido è troppo bassa (un vassoio quasi "asciutto") o troppo alta (trascinamento del liquido). Entrambe le condizioni possono essere attribuite a basse efficienze del vassoio.

Esiste una gamma di efficienze di Murphree, le efficienze inferiori sono correlate a velocità di trasferimento di massa lente o pianto (vassoio "secco") o trascinamento di liquidi nel vapore, o una combinazione di questi (Tabella 1). A seconda della posizione del vassoio, se è nella parte superiore, potrebbe esserci trascinamento o pianto nei vassoi inferiori. Alle condizioni della Tabella 1, il Vassoio 2 era significativamente più efficiente delle sue controparti e l'osservazione visiva mostrava che era molto schiumoso, così alto nell'area interfacciale. Il vassoio 1 era ancora più schiumoso, ma si poteva osservare un po 'di trascinamento. Questo comportamento è una conseguenza di una bassa tensione superficiale per una miscela alcolica; sui due vassoi superiori, quasi tutta l'acqua era stata rimossa, lasciando dietro di sé principalmente metanolo con un po 'di isopropanolo. Il vassoio sottostante mostra solo il 18% di efficienza del metanolo; una tale scarsa efficienza si trova a volte quando un composto diverso (qui, acqua) subisce un profondo cambiamento di concentrazione sul vassoio.

Tabella 1: Efficienza del vassoio Murphree in fase liquida, metanolo¹

¹ Condizioni identiche a quanto previsto per la Figura 1.

I risultati sperimentali sono stati simulati anche utilizzando parametri termodinamici NRTL (coefficiente di attività) e un simulatore di equilibrio con un'efficienza media costante del vassoio che riproduce approssimativamente le composizioni misurate (fondo, distillato, alimentazione). La perdita media di calore della colonna è di ~ 400 W ed è stata incorporata nella simulazione come variabile misurata. Come si vede nella Figura 2, assumendo un'efficienza del 100% (perfetto equilibrio su tutti i vassoi) cattura il comportamento qualitativo ma non quantitativo della colonna rispetto all'aumento della portata di vapore. Lo stesso dovrebbe essere vero in caso di variazione del rapporto di reflusso.

Figura 2: Composizioni distillate sperimentali e simulate in funzione della velocità di vapore della sezione rettificante (L + D). F = 2,12 gmol/min, R_D = 1,2, alimentazione al vassoio 3.

La Figura 2 confronta le composizioni sperimentali dei distillati (rispetto alla velocità di vapore al condensatore) con i risultati previsti delle simulazioni di equilibrio e non equilibrio di questa colonna. L'obiettivo delle simulazioni era quello di abbinare il più possibile le composizioni di distillati e fondi. Il simulatore di non equilibrio fornisce previsioni migliori perché assume e quindi calcola tassi finiti di trasferimento di massa. Nessuna delle due simulazioni può catturare il comportamento esatto, forse perché nessuno dei due tiene conto del trascinamento, che come accennato era chiaramente visibile sui primi due vassoi. Ci possono anche essere lievi errori sperimentali (specialmente per il punto sperimentale medio), perché nessuna teoria prevede un minimo a una velocità di vapore intermedia. Tra le possibili cause di errore sperimentale, è difficile misurare con precisione le basse portate di reflusso con il misuratore della turbina sul flusso di riflusso.

Le colonne di distillazione del vassoio sono spesso del tipo setaccio, con piccoli fori per il flusso di vapore e downcomers più grandi per instradare il liquido dal vassoio al vassoio per gravità. I componenti più volatili escono per lo più nel distillato, anche se parte del vapore superiore viene condensato e restituito alla colonna come reflusso liquido. È stato dimostrato che determinare l'efficienza del vassoio Murphree può essere importante per individuare problemi su vassoi specifici nelle colonne di distillazione, come basse velocità di trasferimento di massa, pianto o allagamento. Mentre tassi di vapore / reflusso più elevati (R_Dpiù elevato) possono migliorare le velocità di trasferimento di massa ed eliminare il pianto, se sono troppo alti, l'efficienza del vassoio diminuirà a causa del trascinamento del liquido. In un precedente esperimento, è stato osservato (Figura 2) che eventuali benefici di tassi di vapore più elevati sono stati compensati dall'aumento del trascinamento sui vassoi superiori. Questo perché la frazione molare distillata sperimentale del metanolo componente leggero in realtà è leggermente diminuita rispetto alla velocità di vapore. Naturalmente, a basso R_D, anche i calcoli di equilibrio, come il metodo McCabe-Thiele, prevedono una separazione dei componenti più scarsa. Pertanto, i dati presi a vario rapporto di reflusso possono mostrare maggiori variazioni nella composizione del distillato.

Un'applicazione comune della distillazione a piastre è nella raffinazione del petrolio. Molte raffinerie di petrolio utilizzano la distillazione a vassoio per separare il greggio in più prodotti. Tipicamente i primi pezzi importanti di equipaggiamento in una raffineria di petrolio sono gli alambicchi grezzi (di solito uno a pressione atmosferica e uno o più che funzionano sotto vuoto), che separano il greggio in GPL (gas di petrolio liquefatto, per lo più propano-butani), nafta (che può essere riformata in benzina), cherosene (carburante per jet), diesel e gasolio medio e pesante. I punti di ebollizione atmosferica su queste frazioni variano da ~ 30 a 400 ° C.³ Altre distillazioni vengono utilizzate per raffinare ulteriormente i prodotti. ^{4 Gli} ingegneri chimici che lavorano su questi processi si concentrano sull'ottenimento del mix di prodotti desiderato e sull'ottimizzazione dell'efficienza dei vassoi.

Le colonne di distillazione del vassoio vengono utilizzate anche per distillare l'etanolo. ⁵ Attraverso processi strettamente correlati, una varietà di prodotti come l'etanolo per uso di carburante, la birra e il liquore possono essere distillati (da qui il nome "distilleria"). ⁵ Mentre la separazione etanolo/acqua è la più importante, anche i prodotti di fermentazione più pesanti verranno rimossi sul fondo. A pressione atmosferica, il distillato è limitato alla composizione azeotropica (95,5% in peso di etanolo a 78,1 °C). Un'ulteriore distillazione richiede un tipo separato di distillazione noto come distillazione azeotropica, sebbene sia possibile un'ulteriore separazione etanolo/ acqua utilizzando un agente di estrazione o un buon vuoto. ⁵

La separazione dell'aria in N_2,O_2,Ar ecc. richiede la distillazione criogenica. ⁶ L'aria deve essere raffreddata al di sotto della temperatura critica di O₂ (-119 °C a 5,04 MPa) per ottenere una fase liquida. Al momento della distillazione l'O₂ è per lo più nei fondi e l'N₂ nel distillato. Entrambi possono quindi essere spediti in forma di gas (gasdotto) o liquido (autocisterna o camion refrigerato). ⁶ L'argon è l'unico altro componente dell'aria comunemente separato per ottenere un prodotto quasi puro.

APPENDICE A

Figura 3. Schema P&ID del sistema di distillazione Scott