Overview
מקור: קרי מ. דולי ומייקל בנטון, המחלקה להנדסה כימית, אוניברסיטת לואיזיאנה סטייט, באטון רוז', לוס אנג'לס
מגש ועמודות ארוזות משמשים שניהם בדרך כלל לפעולות זיקוק, ספיגה והפשטה. 1,2 מטרת הניסוי הזה היא לזקק תערובת של אלכוהול (מתנול, איזופרופנול) ומים בעמוד מגש מסננת ולבחון כיצד מתבצעות תיאוריות פשוטות של זיקוק המבוססות על הנחות שיווי משקל. מגשי מסננת מספקים שטח בין-דתי מרבי בין הנוזל לאדים. סכמטי P&ID של מגש מסננת (כל מגש מכיל חורים בלוח תמיכה) ניתן למצוא מערכת זיקוק בנספח א'.
בהדגמה זו, יחידת זיקוק המגש (TDU) מופעלת במצב ריפלוקס כולל. לאחר השגת רמת תוף ריפלוקס יציבה, נעשה מעבר למצב ריפלוקס סופי על-ידי התאמת בקרי קצב הזרימה התחתונים, הזיקוק והרפלוקס לפי הצורך כדי לשמור על רמות יציבות בתוף הריפלוקס וברסבילר, ולשמור על יחס ריפלוקס יעד RD = L/D. לאחר שמצב יציב מושג (לוקח לפחות 90 דקות), דגימות נוזליות יילקחו מתוף reflux, reboiler ועל כל מגש וניתח כרומטוגרפיה גז. פרוטוקול טיפוסי הוא לחקור את ההשפעות של יחס ריפלוקס על פני טווח רחב. מניתוח המדגם, ניתן לקבוע את יעילות המגש עבור כל שלושת הרכיבים בכל ששת המגשים בהנחה של הצפה טוחנת קבועה (שיטת McCabe-Thiele). התוצאות ניתן גם לדמות באמצעות סימולטור תהליך שיווי משקל, אם זמין. ניתן להשתמש בשתי שיטות אלה גם כדי לקבוע את יעילות המגש הכוללת. בנוסף, ניתן לבצע התאמה של נתונים של יתרות המסה כדי לקבוע אם קיימות שגיאות מדידה ברוטו. כל ספר הפרדות או פעולות יחידה מכסה את יסודות זיקוק כולל מושגים בסיסיים כגון יחס ריפלוקס, יעילות מרפרי ושיטת McCabe-Thiele ודיאגרמה. 2
Principles
כל תהליכי זיקוק תלויים בהבדלי הרכב בין אדים ושלבי נוזל במגע שמחליפים מסה. בעמודת זיקוק, הבדלי צפיפות גורמים לאדים לזרום כלפי מעלה לשלב שלמעלה, וכוח המשיכה גורם לנוזל לזרום כלפי מטה למגש שמתחת. על מנת להפוך את האידוי החלקי בכל מגש לתהליך הפרדה מעשי, הנוזל והאדים חייבים לזרום נגדו דרך מספר שלבים. חייב להיות גם מספיק אזור בין-דתי בכל שלב נתון. עמודות זיקוק ארוזות משתמשות בחומר אריזה מיוחד עם ערוצים קטנים כדי להגדיל את המגע עם אדי נוזלים ברבעונים קטנים יותר. 1,2 עמודות זיקוק אלה משמשים לעתים קרובות כדי לשחזר ממיסים ונוזלים מאכלים כי אריזה יכולה להיות מיוצרת בקלות רבה יותר עם חומרים עמידים. 1 הבדל מרכזי אחד בין עמודות זיקוק ארוזות לעמודות זיקוק מגשים הוא שעמודות ארוזות הן בדרך כלל חסכוניות יותר בעמודות בקוטר קטן יותר (נניח, <0.6 מ '), בעוד שעמודות מגש הן בדרך כלל חסכוניות יותר בקטרים גדולים יותר. 1 עמודות ארוזות יכולות לפעול תחת לחץ נמוך, אך אינן יכולות להתמודד עם קצבי זרימה נוזליים גבוהים כמו עמודות מגש. 1,2 עם זאת, שני הסוגים יכולים להציף (למלא בנוזל ויש להם עלייה משמעותית בירידה בלחץ) בשיעורי זרימה גבוהים מספיק של גז או נוזלים. 1,2 סוגים רבים של זיקוק קיימים, כולל ואקום, חילוץ, תגובתי, זיקוק cryogenic. 1,2
עמוד הזיקוק של סקוט מורכב משישה מגשי מסננת, שכל אחד מהם כולל שני תעלות גליליות למחצה (downcomers) לנוזל לזרימה מהמגש מעל ומגש למטה. קיר עמוד זיקוק סקוט עשוי זכוכית; מכאן הזרימה הנוזלית בעמודה ניתן לראות בעין בלתי. דיאגרמה של היחידה מסופקת בנספח א'.
הרכיבים הקלים יותר (הנדיפים יותר) (למשל, מתנול) בסופו של דבר מתרכזים באדים, ואילו הרכיבים הכבדים יותר בסופו של דבר להתרכז בנוזל. חלק מהאדים המרוכזים חייבים להיות מוחזרים לעמודה כרפלוקס כדי להשיג כל הפרדה מעבר לכך שניתנת על ידי שלב שיווי משקל יחיד. שאר האדים המרוכזים נאספים כתזקיקים. זה נקרא ריפלוקס חלקי. בתחתית העמוד, חלק מהנוזל מהמגש התחתון (#6) מתאדה ב- reboiler כדי ליצור אדים (הרתיחה)עבור המגש התחתון. יחס ריפלוקס הוא היחס בין ריפלוקס לזרימות הטוחנות המזקקות:
(1)
כאשר RD הוא יחס ריפלוקס, L הוא קצב ריפלוקס, ו- D הוא קצב הזיקוק עבור שתי זרימות הטוחנות. בעת הפעלה ב reflux הכולל (RD → ∞), ההפרדה של הרכיבים היא לכל היותר, אבל לא נאסף מוצר. כל הזיקוקים המעשיים חייבים להיות מופעלים ביחס ריפלוקס סופי, אשר לעתים קרובות קרוב 1.2 פעמים RDהמינימום , כדי להשיג אופטימלי כלכלית. RD המינימלי בקושי יכול להשיג את ההפרדה שצוינה, וידרוש מספר אינסופי של מגשים.
יעילות מגש השלב הנוזלי של Murphree מוגדרת כשינוי בהרכב הנוזלי על מגש חלקי השינוי שהיה מתרחש אם הנוזל היוצא היה בשיווי משקל עם האדים היוצאים. יעילות מרפרה עבור מגש יחיד ניתנת על ידי:
(2)
כאשר EML הוא יעילות Murphree, Xn-1 הוא הרכב נוזלי הזנת מגש n, Xn הוא הרכב נוזלי עוזב מגש n, ו Xn* הוא הרכב נוזלי בשיווי משקל עם אדים עוזב מגש n. הרכב האדים Y חייב להימצא מהפתרון לאיזון המסה של הרכיב (קו ההפעלה), ו- Xn* נמצא מ- Y בהנחה של שיווי משקל. יעילות מרפרי לעתים קרובות מתנהגת באופן איכותי דומה לשיעורי העברה המונית, כלומר, יעילות נמוכה תהיה קשורה לעתים קרובות לאזורים בין-דתיים נמוכים או למהירויות שטחיות נמוכות. עם זאת, חריג לכלל אצבע זה הוא כי שיעורי זרימה גבוהים מאוד יכול גם לגרום ליעילות נמוכה עקב entrainment של נוזל על ידי אדים כמו טיפות בחלק העליון של מגש. לכן, מהנדסים לנצל את יעילות Murphree כדי להצביע על בעיות בעמודות זיקוק ולשפר את העיצוב הפנימי כדי להתקרב טוב יותר 100% יעילות על כל המגשים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
ה- TDU מופעל מממשק מחשב של מערכת בקרה מבוזרת. הממשק גרפי לחלוטין. העמודה מכילה 6 מגשים, מחזק כולל ו-reboiler חלקי (נספח א'). התערובת כלולה במאגר ההזנה, וההזנה מורכבת באופן נומינלי ממתנול (~50 wt.%), איזופרופנול (~30 wt.%), ומים (~20 wt.%).
1. הפעלת מצב ריפלוקס כולל
- תדליק את מי הקירור. אם רמת הנוזל reboiler נמוכה מדי, להוסיף מזון אליו; אם גבוה מדי, השתמש במשאבת התחתונים כדי להחזיר נוזל למיכל ההזנה.
- הפעל את תנור החימום הראשי מהממשק ואת תנורי הרצועה באמצעות המתג על היחידה בצד למעלה מימין. שים את בקר טמפרטורת reboiler ידני (MAN), לתת לו פלט (OP) של לפחות 60%, ולאחר מכן לחכות אדי תקורה לדחוס תוף reflux להתחיל מילוי, כפי שניתן לראות בממשק. כוח התחממות הרפלוקס יתחיל עם תנור החימום.
- כאשר רמת תוף reflux מגיעה ל-50%, שים את בקר זרימת ה-reflux ב- AUTO, תן לו נקודת קבועה (SP) של 20%, והפעיל את משאבת ריפלוקס.
- ברגע שאתה מודד זרימת ריפלוקס בבקר, הקטן בהדרגה את נקודת ההקבע בשלבים של אחוז כל כמה שניות עד שקצב זרימת הרפלוקס הוא 12 - 13% מהטווח (טווח = הטווח הכולל של המשדר).
- שים את בקר התחממות preflux ב AUTO, ולתת לו נקודת קבועה של ~ 65 °C (75 °F), או ערך מתאים אחר ליד הטמפרטורה של המגש העליון.
- המתן עד שרמת תוף הרפלוקס תגיע לפחות ל- 50% לפני כוונון ידני של קצב הרפלוקס על-ידי שינוי נקודת הקבע בבקר זרימת הרפלוקס לפי הצורך כדי לספק רמת תוף ריפלוקס קבועה של 25 - 75%.
- כאשר כל הזרימות, הרמות, הטמפרטורות וההרכבים קרובים לנקודות הקבועות שלהם ואינם משתנים באופן משמעותי במשך 2 דקות, הושג מצב יציב.
2. מעבר למצב ריפלוקס סופי
- שים את בקר זרימת ההזנה ל- AUTO, ותן לו נקודת קבועה המתאימה ל- ~ 120 ס"מ3/min.
- הפעל את משאבת ההזנה והאכלה מחממים מראש. שים את בקר התחממות ההזנה ב- AUTO ותן לו נקודת קבועה של ~ 65 °C (65 °F) או טמפרטורה אחרת ליד זו של טמפרטורת מגש ההזנה.
- שים את בקר קצב זרימת הריפלוקס ב- AUTO והעניק לו נקודת קבועה של ~ 80 % ממארז הריפלוקס הכולל כנקודת התחלה.
- התחל למשוך מוצר זיקוק (התאם את בקר הזרימה לזרימה >0) כדי לשמור על רמה של 25 - 75% בתוף reflux. שים את בקר זרימת הזיקוק ב- AUTO והתאם את נקודת הקבע שלו אלא אם הוראות אחרות קוראות באופן ספציפי לבקרה ידנית. נסה 3 יחסי ריפלוקס שונים סביב 1 (למשל, 0.8, 1.2, 1.6), אך החזק את קצב הרתיחה קבוע על ידי שמירה על קבוע חובת החום בערך שנותן זרימת זיקוק.
- התחל למשוך את מוצר התחתונים (התאם את בקר הזרימה לזרימה >0) כדי לשמור על רמה קבועה של 60-80 % ב- reboiler. שים את בקר זרימת התחתונים ב- AUTO, הפעל את משאבת התחתונים והתאם את נקודת הקבע שלו, אלא אם כן הוראות אחרות קוראות באופן ספציפי לבקרה ידנית. שני המוצרים צריכים לזרום בחזרה למאגר ההזנה.
- כאשר כל הזרימות, הרמות, הטמפרטורות וההרכבים קרובים לנקודות הקבועות שלהם, הושג מצב יציב. ייתכן שיהיה צורך להתאים את בקרי הזרימה; החזרה, F = B + D (הזנה = תחתית + זיקוק על בסיס טבוח, ואת הזיקוק יהיה בעיקר מתנול).
- אסוף כמה דוגמאות של נפח mL של ההזנה, התחתונים והתזקיקים בו-זמנית (ראו איור 3, נספח א'). כדי לאסוף את ההזנה, הכנס פיפטה דרך היציאה העליונה של מיכל ההזנה. יש צורך רק קבוצה אחת של דגימות לכל מצב יציב. ניתן גם לדגום נוזל מכל מגש דרך יציאת המחיצה שלו באמצעות מזרקי מחט מעוקלים לעשות את זה רק אחד המצבים היציבים.
3. הגדרת כרומטוגרף הגז
גרומטוגרפיה הגז (GC) מופעלת באמצעות תוכנת הספק. העמודה היא Porapak Q, בקוטר 1/8 אינץ' ובאורך 2 רגל.
- בחר את החלון פעולת שירות והפעלה של פקד. בשורת התפריטים המלאה בסמלים, בחר שיטה ובחר את START. שיטת מ.
- בלוח הקדמי של GC, לחץ על לחצן הכניסה הקדמית. הלחץ צריך להיות מוגדר ל 4.5 פסאיי.
- הזריק דגימת מיקרוליטר 0.1 (אותו נפח בכל פעם) ולחץ על לחצן התחל בלוח הקדמי של GC. התוכנה תציג 'הפעלה' בתהליך / רכישת נתונים, עם הזמן שחלף לספור.
- התוצאות יופיעו בדוח על מסך התוכנה לאחר כ-3 דקות בצורת תרשים המכיל פסגות GC. גלול מטה בדוח כדי לראות את תוצאות האזור% .
4. כיבוי עמודת זיקוק
- כבה את כל שלושת התנורים, את משאבת התחתית ואת משאבת ההזנה.
- מקם את כל הבקרים למעט קצב זרימת הריפלוקס ב- MAN והגדר את הפלטים שלהם (OP) ל- 0%.
- שים את בקר קצב זרימת הריפלוקס ב- MAN והגדר את OP שלו ל- 20%.
- הפעל את עקיפה משאבת reflux ולהשאיר את משאבת ריפלוקס על עד תוף reflux ריק.
- ברגע תוף reflux ריק, לקחת את עקיפה משאבת reflux, לכבות את משאבת reflux, לשים את בקר קצב זרימת reflux ב MAN, ולהגדיר OP שלה ל 0%.
- השאירו את מי הקירור על עד כל שש טמפרטורות מגש הם מתחת 60 °C (60 °F), ולאחר מכן לכבות אותו.
זיקוק מגשים היא טכניקה חיונית להנדסה כימית המשמשת להפרדת תערובות מורכבות בהגדרות תעשייתיות שונות. כגון מפעלים כימיים, בתי זיקוק לנפט ועיבוד גז טבעי. זיקוק מבוצע בעמודה עם רמות רבות ושונות הנקראות מגשים. זרם הזנה נוזלי עובר דרך העמודה ולאחר החשיפה לחום מרוכז או מתאדה, ומאפשר להפריד את התערובת בהתבסס על ההבדל בתנודתיות. על מנת לתכנן מנגנון זיקוק חסכוני נלמדות יעילות ההפרדה של המגשים במערכת. כאן נחקור את יעילות ההפרדה של עמוד מגש מסננת המשמש להפרדת תערובת של מתנול, איזופרופנול ומים.
בעמודת זיקוק, ההזנה הנוזלית מוצגת והיא זורמת כלפי מטה ובו זמנית יוצרת קשר עם זרם אדים עולה. כאשר הנוזל מגיע לתחתית הוא נכנס לדוד חוזר והוא מתאדה ונכנס מחדש לעמודה או נשאר נוזלי ויוצא מהמערכת. זרם יוצא זה, הנקרא התחתית, מכיל את הרכיבים הכבדים יותר. יחס הרתיחה VB, הוא היחס בין נוזל ממוחזר לתוך העמודה לכמות הנוזל עוזב בתחתית. זרם האדים זורם כלפי מעלה דרך העמודה והוא מרוכז לפני הכניסה לתוף ריפלוקס. לאחר מכן הוא מחולק לשני זרמים. הזיקוק המכיל את הרכיבים הנדיפים יותר היוצאים מהמערכת, ואת זרם reflux אשר הוא מחזור לעמודה. יחס ריפלוקס, שהוא היחס בין שיעור ריפלוקס לקצב זיקוק יכול להשפיע על יעילות ההפרדה. במצב ריפלוקס כולל, 100% מהזרמים ממוחזרים בחזרה לעמודה. עם זאת, זיקוקים מעשיים מופעלים במצב ריפלוקס חלקי כדי להשיג הפרדה כלכלית. עכשיו בואו נסתכל על ניתוח McCabe-Thiele כדי לקבוע את מספר השלבים הדרושים להפרדה באמצעות נתוני VLE עבור שני הרכיבים. החל מהרכב הזיקוק, צייר קו הפעלה עם שיפוע השווה RD מעל RD ועוד אחד. החל מהרכב התחתון לצייר קו הפעלה עם שיפוע שווה VB ועוד אחד מעל VB. לרדת את התוויה בין עקומת BLE וקווי הפעלה עד לתחתית הוא הגיע. מספר השלבים דקות אחד עבור reboiler שווה למספר המגשים הדרושים. כדי להעריך יעילות, נעשה שימוש בשיטת Murphree. יעילות Murphree עבור מגש אחד, EML, מתאר את השינוי של הרכב הנוזל מעל המגש חלקי השינוי את הרכב הנוזל היוצא, בהנחה שזה היה בשיווי משקל עם האדים היוצאים. יעילות נמוכה על מגש קשורה לעתים קרובות לאזור בין-דתי נמוך או למהירויות שטחיות נמוכות, מה שמאפשר למהנדסים לאתר בעיות בעמודה ולשפר את העיצוב. עכשיו כשדיברנו על האופן שבו פועל טור זיקוק וכיצד יחס הרפלוקס יכול להשפיע על ההפרדה, בואו נבדוק ונדגים את ההשפעות בניסוי מעבדה.
לפני שתתחיל, הכר את יחידת זיקוק המגש. היחידה מורכבת מעמודה המכילה שישה מגשי מסננת. מאגר ההזנה מכיל את התערובת של מתנול 50 אחוז משקל, איזופרופנול 30 אחוז משקל, ומים 20 אחוז משקל. אשר מופנה באמצעות משאבה להתחממות ההזנה ולאחר מכן לעמודה. הזיקוק מהעמודה נאסף במעיבוי הכולל המצויד בשסתום כדי לאסוף את הדגימות. תוף ריפלוקס, משאבת ריפלוקס והתחממות מוקדמת משמשים כדי לספק ריפלוקס מתמשך שהיחס מותאם ליעילות טובה יותר. לבסוף, reboiler ואת משאבת התחתונים לספק חימום של התערובת שסתום התחתון משמש כדי לקבל את הדגימות לניתוח. רוב יחידת זיקוק הסחר מופעלת באמצעות ממשק גרפי. כדי להתחיל את הניסוי עבור מצב ריפלוקס הכולל, להפעיל את מי הקירור ולבדוק את רמת נוזל reboiler. התאם את הרמה על-ידי הוספת נוזל הזנה או הסרת נוזל כלשהו באמצעות המשאבה התחתונה. הפעל את תנור reboiler הראשי ואת תנור הרצועה. לאחר מכן, באמצעות הפקדים, הגדר את בקר טמפרטורת reboiler ידני ולהתאים את הפלט לפחות 60%. ולחכות שהאדים התקורה יתעבה, ותמלא את תוף התיפוף. לאחר תוף reflux הגיע לרמה של 50%, להגדיר את בקר זרימת reflux אני אוטומטי עם נקודה מוגדרת של 20% ולהדליק את משאבת reflux. ברגע שאתה מודד את זרימת reflux על הבקר, בהדרגה להקטין את הנקודה שנקבעה ב 2% במרווחים כל 20 עד 30 שניות עד קצב זרימת reflux הוא 12 עד 13% של טווח. כאשר תנור החימום הופעל, המערכת גם הפעילה את מחממת ריפלוקס. עכשיו להגדיר את הבקר באופן אוטומטי ולתת לחמם preflux נקודה מוגדרת של כ 65 מעלות צלזיוס. ודא שרמת תוף הרפלוקס היא סביב 50%, ובמידת הצורך התאם את הקצב באופן ידני על-ידי שינוי הנקודה שנקבעה בבקר זרימת הרפלוקס כדי לספק רמת תוף ריפלוקס קבועה של 25 עד 75%. כאשר כל הזרימות, הרמות, הטמפרטורה וההרכבים קרובים לנקודות שנקבעו ולא משתנים באופן משמעותי במשך כשתי דקות, ניתן לומר כי הושג מצב יציב של מצב הריפלוקס הכולל.
כעת, לאחר שהמערכת הגיעה למצב יציב, בואו נעבור למצב ריפלוקס סופי. הגדר את בקר זרימת ההזנה באופן אוטומטי עם נקודה מוגדרת של כ- 120 ס"מ מעוקב לדקה. לאחר מכן הפעל את משאבת ההזנה ואת מחממה ההזנה, הגדר את הבקר באופן אוטומטי, ולתת לו נקודה מוגדרת של כ 65 מעלות צלזיוס. לאחר הגדרת הגדרות ההזנה, מקם את בקר קצב זרימת הזרימה של ריפלוקס באופן אוטומטי והגדר את נקודת ההתחלה של זרימת reflux לנקודה מוגדרת של כ- 80%. התחל למשוך את מוצר הזיקוק כדי לשמור על רמת תוף ריפלוקס בין 25% ל -75%. שים את בקר זרימת הזיקוק באופן אוטומטי והתאם את הנקודה המוגדרת מעל אפס זרימה. התחל למשוך את המוצר התחתון כדי לשמור על רמה קבועה של 60 עד 80% reboiler. שים את בקר הזרימה התחתון באופן אוטומטי, הפעל את המשאבה התחתונה והתאם את נקודת הסט לקצב זרימה מעל לאפס. חזור על פעולת הרפלוקס הסופית בערך שלושה יחסי ריפלוקס שונים תוך שמירה על קצב הרתיחה קבוע. זה מתבצע כדי להתאים למצבים יציבים שונים במצב reflux סופי. כאשר כל הזרימות, הרמות, הטמפרטורה וההרכב קרובות לנקודות שנקבעו ואינן משתנות באופן משמעותי, אזי מגיע למצב היציב. לאחר הגעה למצב יציב, פתח את שסתומי המדגם והשתמש בבקבוקי מדגם כדי לאסוף קבוצה אחת של שלוש עד ארבע דגימות מיליליטר של התחתית ולזקק מוצרים בנקודות המדגם שלהם. באמצעות פיפטה, הכנס אותו דרך החלק העליון של מיכל ההזנה כדי לאסוף דגימת הזנה. לאחר מכן, באמצעות מזרק מחט מעוקל, להכניס אותו דרך יציאת המחיצה של כל מגש כדי לרכוש דגימות מגש. אבטחו את הדגימות וניתחו אותן באמצעות כרומטוגרפיה של גז לאחר סיום הניסוי.
עכשיו שסיימתם את הניסוי, בואו נתמקד בניתוח התוצאות. ניתוח McCabe-Thiele עבור מערכת זו מראה כי 4.5 שלבים נדרשים להפרדה. למרות שהמערכת משתמשת בשישה שלבים בתוספת התבוסה. לאחר מכן, השג את שבר המסה של הדגימות באמצעות נתוני GC. החל את משוואת היעילות של מגש Murphree וחשב את היעילות של כל מגש. מגש 2 היה יעיל יותר באופן משמעותי מעמיתיו והתצפית החזותית הראתה שהוא מקציף מאוד. כל כך גבוה באזור הבין-דתי. מגש אחד היה אפילו יותר קצף, אבל כמה entrainment ניתן היה לראות. התנהגות זו היא תוצאה של מתח פני השטח נמוך עבור תערובת אלכוהולית. בשני המגשים העליונים, כמעט כל המים הוסרו, משאירים מאחור בעיקר מתנול עם איזופרופנול. מגש שלוש היה יעילות מתנול ירודה, אשר נצפתה כאשר תרכובת אחרת, מים במקרה זה, עובר שינוי ריכוז עמוק על המגש. עכשיו לחזור על החישובים עבור כל יחס reflux כדי לקבוע את ההשפעה על הרכב הזיקוק והתחתונים. באופן כללי, שיעור ריפלוקס נמוך יותר מפחית את טוהר המתנול של הזיקוק. שיעור ריפלוקס גבוה יותר משפר את ההפרדה בעלויות תפעול גבוהות.
לבסוף, בואו נסתכל על כמה יישומים של זיקוק סחר ומדידת יעילות מגש בתעשייה הכימית. בתי זיקוק לנפט מפרידים שמנים גולמיים למוצרים מרובים. זרם ההזנה מחומם נפט גולמי בלחץ אטמוספרי. דלקים, כגון שמן דלק לאוניות, דיזל, נפט, נפטא ובנזין מופרדים על סמך נקודות הרתיחה שלהם ובכך אורך השרשרת. מהנדסים כימיים משתמשים ביעילות מגש כדי לייעל את תהליכי ההפרדה של המוצרים הרצויים. כדי ליצור משקאות חריפים מזוקקים כגון וודקה או ויסקי, תערובת של מוצרי תסיסה דגנים המכונה לשטוף, שהוא 10 עד 12% אלכוהול על ידי נפח מבושל בסטילס ואת האדים שנוצר מופרדים על ידי זיקוק פשוט או סחר. זה מאפשר אתנול להיות מופרד מאלכוהול אחרים כמו propanol ומים, אשר יש נקודות רתיחה גבוהות יותר.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לתזקיקה. עכשיו אתה צריך להבין את תהליך זיקוק, איך להפעיל יחידת זיקוק מגש, וכיצד להעריך את היעילות שלה. ראית גם מספר יישומים של זיקוק בהגדרות תעשייתיות. תודה שצפיתם.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
גורם התגובה המתאים (RFi) עבור כל רכיב, שהוא היחס בין עוצמת האות לכמות הניתוח המוזרק והוא מסופק בתוכנה, משמש לקביעת ה- wt% של כל דגימה.
(3)
יחס ריפלוקס (RD = L/D) משפיע רבות הן על יעילות מגש העמודות (בקצבי הזנה ותזקיקים קבועים) והן על הרכב הזיקוק והתחתון. שיעור ריפלוקס נמוך יותר מפחית מאוד את טוהר המתנול של הזיקוק. לכן, מנגנון זיקוק מגש הפועל בקצב ריפלוקס גדול יותר אך שיעורי זיקוק ותחתון קבועים יהיו יעילים יותר להפרדה. עם זאת, reflux נוסף מגדיל את עלויות התפעול על ידי הוספת עלויות חימום נוספות (reboiler) וקירור (מחזק).
יעילות נוזלית Murphree חושבו ב RD ביניים מן הרכבי מדגם נוזלי עבור כל ששת המגשים באמצעות נתוני שיווי משקל כדי למצוא xn*. עבור חישובים אלה, החלה הנחת הגלישה הטוחנת הקבועה על האדים ושיעורי הנוזל בכל מקטע. חלקה מייצגת של חישובים אלה מוצגת באיור 1. הנחה על הזנת נוזלים רוויה (q = 1), מכיוון שההזנה הייתה מחוממת כדי להתקרב לנקודת הבועה שלה. שברי השומה בפועל של הזנה, זיקוק ותחתון היו 0.53, 0.76 ו- 0.39, בהתאמה. המספר החזוי של שלבי שיווי משקל הוא ~ 4. מספר המגשים בפועל הוא 6+1 = 7, כך שהיעילות הכוללת של העמודות היא כ- 57 %. בהתייחסו למשוואה (2), בלוק איזון מסה בסימולטור תהליך יכול לשמש לחישוב ה- yn's מה- xn's. לאחר מכן ניתן להשתמש בנקודת בועה או בלוק הבזק כדי לקבוע את ערכי xn* מה- yn's.
איור 1: בניית מקייב-תיל פסאודו-בינארית (שברי שומת מתנול בלבד) עבור זיקוק ב- F = 2.12, D = 1.19 ו- R = 1.45 gmol/min (RD = 1.2), הזנה למגש 3.
המגמות ביעילות Murphree ניתן להסביר במונחים של מה ידוע בדרך כלל על יעילות מגש מסננת, במיוחד על שיעורי העברה המונית entrainment על מגשי מסננת. עבור עמוד זכוכית, קל לראות היכן קצב זרימת הנוזל נמוך מדי (מגש כמעט "יבש") או גבוה מדי (אימון נוזל). ניתן לייחס כל תנאי ליעילות נמוכה של מגש.
יש מגוון של יעילות Murphree, היעילות הנמוכה יותר להיות קשור קצבי העברת מסה איטית או בכי (מגש "יבש") או entrainment נוזלי באדים, או שילוב כלשהו של אלה (טבלה 1). בהתאם למיקום המגש, אם הוא בחלק העליון, ייתכן שיש אימון, או בכי במגשים התחתונים. בתנאים של טבלה 1, מגש 2 היה יעיל יותר באופן משמעותי מעמיתיו, ותצפית חזותית הראתה שהוא מקציף מאוד, כל כך גבוה באזור בין-דתי. מגש 1 היה אפילו יותר קצף, אבל ניתן היה לצפות בנדיבות מסוימת. התנהגות זו היא תוצאה של מתח פני השטח נמוך עבור תערובת אלכוהולית; על שני המגשים העליונים, כמעט כל המים הוסרו, משאיר מאחור בעיקר מתנול עם איזופרופנול. המגש שמתחתיו מראה יעילות מתנול של 18% בלבד; יעילות ירודה כזו נמצאת לפעמים כאשר תרכובת אחרת (כאן, מים) עוברת שינוי ריכוז עמוק על המגש.
טבלה 1: יעילות מגש מרפרה נוזלית, מתנול1
| מספר מגש (מלמעלה) | XM
שבר שומה |
YM
שבר שומה |
XM*
שבר שומה |
EML |
| 0 (זיקוק) | 0.76 | |||
| 1 | 0.69 | 0.76 | 0.61 | 43 |
| 2 | 0.58 | 0.70 | 0.54 | 74 |
| 3 | 0.56 | 0.64 | 0.48 | 18 |
| 4 | 0.53 | 0.63 | 0.47 | 33 |
| 5 | 0.51 | 0.61 | 0.44 | 29 |
| 6 | 0.49 | 0.57 | 0.40 | 29 |
| 7 (תחתונים) | 0.39 | 0.55 |
1 תנאים זהים לאיור 1.
תוצאות הניסוי היו גם מדומות באמצעות NRTL תרמודינמי (מקדם פעילות) פרמטרים וסימולטור שיווי משקל עם יעילות מגש ממוצעת קבועה כי בערך משחזר קומפוזיציות נמדדות (תחתית, זיקוק, הזנה). אובדן חום העמוד הממוצע הוא ~ 400 W, והוא שולב בסימולציה כמשתנה נמדד. כפי שניתן לראות באיור 2, בהנחה של יעילות של 100% (שיווי משקל מושלם בכל המגשים) לוכד את התנהגות העמודות האיכותית אך לא הכמותית ביחס להגברת קצב זרימת האדים. אותו הדבר צריך להיות נכון על וריאציה של יחס reflux.
איור 2: קומפוזיציות זיקוק ניסיוניות ומדומות כפונקציה של קצב אדי המקטע התיקון (L + D). F = 2.12 gmol/min, RD = 1.2, הזנה למגש 3.
איור 2 משווה קומפוזיציות זיקוק ניסיוניות (לעומת שיעור אדים למחזק) לתוצאות החזויות של סימולציות שיווי משקל ואי שיווי משקל בטור זה. מטרת הסימולציות הייתה להתאים את הרכבי הזיקוק והתחתונים קרוב ככל האפשר. סימולטור שאינו שיווי משקל נותן תחזיות טובות יותר כי הוא מניח ולאחר מכן מחשב שיעורים סופיים של העברת המונית. אף סימולציה לא יכולה ללכוד את ההתנהגות המדויקת, אולי משום שאף אחד מהם לא מסביר את ההכשרה, שכאמור נראתה בבירור בשני המגשים העליונים. ייתכנו גם שגיאות ניסיוניות קלות (במיוחד עבור נקודת הניסוי האמצעית), מכיוון שאף תיאוריה לא מנבאת מינימום בקצב אדי ביניים. בין הגורמים האפשריים לשגיאה ניסיונית, קשה למדוד במדויק את קצב זרימת הריפלוקס הנמוך עם מד הטורבינה בזרם הריפלוקס.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
עמודות זיקוק מגש הן לעתים קרובות מסוג מסננת, עם חורים קטנים לזרימת האדים ומצטרפים גדולים יותר כדי לנתב את הנוזל ממגש למגש על ידי כוח המשיכה. רכיבים נדיפים יותר יוצאים בעיקר בתזקק, אם כי חלק מהאדים העליונים מרוכזים ומוחזרים לעמודה כרפלוקס נוזלי. הוכח כי קביעת יעילות מגש Murphree יכול להיות חשוב באיתור בעיות על מגשים ספציפיים בעמודות זיקוק, כגון שיעורי העברת מסה נמוכים, בכי או הצפה. בעוד שיעורי אדים / ריפלוקס גבוהים יותר (RDגבוה יותר) יכולים לשפר את שיעורי העברת ההמונים ולמנוע בכי, אם הם גבוהים מדי, יעילות המגש תקטן עקב אימון נוזלי. בניסוי קודם נצפה (איור 2) כי כל היתרונות של שיעורי אדים גבוהים יותר אוקסו על ידי ההכשרה המוגברת במגשים העליונים. הסיבה לכך היא כי שבר שומת הזיקוק הניסיוני של מתנול רכיב האור למעשה ירד מעט ביחס לשיעור האדים. כמובן, ב- RDנמוך , אפילו חישובי שיווי משקל, כגון שיטת McCabe-Thiele, מנבאים הפרדת רכיבים ירודה יותר. לכן, נתונים שנלקחו ביחס ריפלוקס משתנה עשויים להראות שונות רבה יותר בהרכב הזיקוק.
יישום נפוץ אחד של זיקוק צלחת הוא זיקוק שמן. בתי זיקוק רבים לנפט משתמשים בזיקוק מגשים כדי להפריד את הגולמי למוצרים מרובים. בדרך כלל החלקים העיקריים הראשונים של ציוד בבית זיקוק נפט הם סטילס גולמי (בדרך כלל אחד בלחץ אטמוספרי ואחד או יותר פועל תחת ואקום), אשר מפרידים גולמי לתוך גפ"מ (גז נפט נוזלי, בעיקר פרופאן-בוטאן), נפטא (אשר ניתן לתקן לבנזין), נפט (דלק סילוני), דיזל ונפט גז בינוני וכבד. נקודות הרתיחה האטמוספריות על שברים אלה משתנות בין ~ 30 - 400 °C.3 זיקוקים אחרים משמשים כדי לחדד עוד יותר את המוצרים. 4 מהנדסים כימיים העובדים על תהליכים אלה מתמקדים בהשגת תמהיל המוצרים הרצוי ואופטימיזציה של יעילות המגש.
עמודי זיקוק מגש משמשים גם לזקק אתנול. 5 באמצעות תהליכים הקשורים קשר הדוק, מגוון מוצרים כגון אתנול כיתה דלק, בירה, ומשקאות חריפים ניתן לזקק את כל (ובכך את השם "מזקקה"). 5 בעוד הפרדת אתנול / מים היא החשובה ביותר, מוצרי תסיסה כבדים יותר יוסרו גם בתחתית. בלחץ אטמוספרי, הזיקוק מוגבל להרכב אזוטרופי (95.5 wt% אתנול ב 78.1 מעלות צלזיוס). זיקוק נוסף דורש סוג נפרד של זיקוק המכונה זיקוק אזוטרופי, אם כי הפרדת אתנול / מים נוספת אפשרית באמצעות סוכן מיצוי או ואקום טוב. 5
הפרדת האוויר ל- N2, O2, Ar וכו 'דורשת זיקוק קריוגני. 6 יש לקרר את האוויר מתחת לטמפרטורה הקריטית של O2 (-119 °C (5.04 MPa) כדי לקבל שלב נוזלי. עם הזיקוק O2 הוא בעיקר בתחתית ואת N2 בתזקק. לאחר מכן ניתן לשלוח אותם בצורות גז (צינור) או נוזל (מכליות או משאית בקירור). 6 ארגון הוא המרכיב הנוסף היחיד של האוויר המופרד בדרך כלל כדי להשיג מוצר כמעט טהור.
נספח א'
איור 3. סכמטי P&ID של מערכת זיקוק סקוט
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
References
- Encyclopedia of Chemical Engineering Equipment. Distillation Columns. http://encyclopedia.che.engin.umich.edu/Pages/SeparationsChemical/DistillationColumns/DistillationColumns.html. Accessed 10/01/16.
- W.L. McCabe, J.C. Smith, and P. Harriott, Unit Operations of Chemical Engineering, 7th Ed., McGraw-Hill, New York, 2005, Ch. 21 & 22, C.J. Geankoplis, Transport Processes and Unit Operations, 3rd Ed., 1993, Ch. 12, or J.D.Seader, E.J. Henley, D.K. Roper, Separation Process Principles, 3rd Ed., Wiley, 2010, Ch.6 & 7.
- Processing & Refining Crude Oil. Chevron Inc. http://pascagoula.chevron.com/abouttherefinery/whatwedo/processingandrefining.aspx . Accessed 10/01/16.
- A Simple Guide to Oil Refining. ExxonMobil Inc. http://www.exxonmobileurope.com/europe-english/files/simple_guide_to_oil_refining.pdf Accessed 10/14/16.
- R. Katzen, P.W. Madson and G.D. Moon Jr, Ethanol distillation: the fundamentals, in The Alcohol Textbook 3rd ed., K. Jacques, T.P. Lyons, and D.R. Kelsall, eds. Nottingham University Press, Nottingham, UK, pp. 269-288 (1999).
- History and Technological Progress: cryogenic Air Separation. The Linde Groups. https://www.linde-engineering.com/internet.global.lindeengineering.global/en/images/AS.B1EN%201113%20-%20%26AA_History_.layout19_4353.PDF. Accessed 10/01/16.
