Oppimistavoite tälle luennolle

Oppimistavoite tälle luennolle
• Ymmärtää erotusprosessien suunnittelun
perusteet
• Tuntea tislauksen ja uuton toimintaperiaatteet
• Tuntea tyypillisimpiä laiteratkaisuja
• Osata kirjoittaa ainetaseet
• Osata analysoida tislaimia ja uuttolaitteita
ideaaliaskelmallin avulla
Yksikköoperaatiot ja teolliset prosessit
CHEM-A2100 (5 op)
Tislaus ja uutto
1
Erotusprosessit vs. kaverin tapaaminen
Mitkä ovat tärkeimmät asiat,
kun haluat suunnitella
tapaamisen kaverisi kanssa?
• Missä tavataan
• Milloin tavataan
Mitkä näistä vastaavat edellisiä
laitteiden suunnittelussa?
• Sekoittimen pyörimisnopeus
• Viipymäaika
• Termodynamiikka,
faasitasapaino
• Aineensiirtonopeus
(aineensiirtokerroin ja faasien
välinen pinta-ala)
• Prosessin ohjausjärjestelmä
2
Erotusprosessien suunnittelu
Hyvin yleisellä tasolla kaksi keskeisintä asiaa ovat:
1. Tasapaino, eli mihin suuntaan ollaan menossa
(paikka)
2. Nopeus, eli mitä vauhtia tasapainoa lähestytään
(aika)
4
y
Erotusprosessien suunnittelu
Ideaalipohja
tai
Ideaaliaskel
1. Faasitasapaino, malli laitteelle (vastavirta)
ideaaliaskelmalli, askelten lukumäärä (suunta)
2. Askeleen tehokkuus
hyötysuhde tai askeleen
koko (nopeus)
Toinen tapa on kirjoittaa yhtälöt suoraan nopeusperustaisesti:
dn
= F - P + kaVc t (y-Kx )
dt
Missä näkyy suunta
ja missä nopeus?
3. Halkaisija virtausmäärien perusteella ja korkeus
askeleen koon ja niiden lukumäärän avulla (mitoitus)
x
Keskeinen käsite erotusoperaatioiden analyysissä!
• Usein ajatellaan että ideaalipohjan faasit ovat täysin
sekoittuneet
Mikä oli vastaava ideaalinen reaktorityyppi?
• Pohjalta poistuva höyry y on tasapainossa siltä poistuvan
nesteen x kanssa
Höyryn pitoisuus on tasapainokäyrällä
6
Panostislaus
Miten ideaaliaskeloletus näkyy näissä?
1. Faasitasapaino, malli laitteelle (vastavirta)
2. Askeleen tehokkuus
hyötysuhde tai askeleen
koko (vaikkapa korkeus täytekappalekerrosta)
3. Halkaisija virtausmäärien perusteella.
Nid
Panostislauksessa tislaimeen syötetään alussa seos,
jota halutaan tislata.
Seosta lämmitetään, jolloin se alkaa höyrystyä.
Höyry lauhdutetaan ja otetaan talteen.
Panostislauksessa voidaan käyttää moniaskelfraktiointia kuten
jatkuvatoimisessakin tislauksessa (välipohjia tai täytekappaleita)
Liuoksen pitoisuudet muuttuvat tislauksen aikana, kun herkimmin
haihtuvat poistuvat tislausastiasta nopeammin kuin raskaammat
komponentit
Panostislaus
V
Pitoisuuden muutokset
Jos vain
yksi
1
erotusaskel,
mikä on
0.9
tisleen
0.8 pitoisuus alussa?
1
0.9
0.8
V
0.7
0.7
0.6
0.6
y
0.5
y
y
y
0.4
Lx
0.5
0.4
Lx
0.3
Miten pitoisuus
muuttuu tislauksen
edetessä?
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
0
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
x
0.6
0.7
0.8
0.9
9
10
Lämpötilan muutokset
Lämpötilan muutokset
Missä tisleen pitoisuus on
tässä kuvassa?
Miten lämpötila muuttuu
tislauksen edetessä?
95
90
V
85
Lx
90
V
85
80
y
75
70
Lx
T (C)
T (C)
Missä tisleen pitoisuus on
tässä kuvassa?
Miten lämpötila muuttuu
tislauksen edetessä?
95
80
y
1
x
75
70
65
65
60
60
55
55
50
50
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
x
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
x
11
12
Panostislaus
Panostislauksen toiminta voidaan suunnitella, kun kirjoitetaan
ajasta riippuvat ainetaseet ja faasitasapainoyhtälö
väkevöinti- eli rektifiointiosa
Jatkuvatoiminen
tislauskolonni
Seurataan pitoisuuksien muuttumista ajan (tai jäljellä olevan
nestemäärän) funktiona haluttuun loppupitoisuuteen (neste ja
höyry) asti
haihdutus- eli strippausosa
14
13
Täytekappalekolonnit
Samanlaisia
täytekappaleita
voidaan käyttää
myös uutossa ja
absorptiossa
Tislauskolonnin
pohjien rakenne
15
16
Ideaalipohjien (-askelten) lukumäärä
Ideaalipohjien lukumäärä
Graafiset menetelmät
Numeeriset menetelmät
– Soveltuvat parhaiten binääritislauksiin (vain 2 komponenttia)
– Tyypillisin menetelmä McCabe-Thiele porrastus
– Auttavat ymmärtämään tislaustapahtumaa sekä höyry-neste
tasapainoja, vaikka nykyään harvemmin käytetään
monimutkaisten tislaimien suunnittelussa
– Ratkaistaan aine- ja energiataseet kullakin pohjalla (MESH
yhtälöt: mass, equilibrium, summation, energy)
– Tehokkaita algoritmeja kolonnien virtausten ja profiilien
ratkaisemiseen
– Tasapainoyhtälöt ja entalpiataseet termodynaamisten mallien
avulla
– Ohjelmoitu käytännössä kaikkiin simulointiohjelmiin
17
18
Tislaimen perinteinen ideaaliaskelmalli
qD
Lauhdutin
Palautussäiliö
1
DxD
2
Palautus
LD
Syöttö
Tisle
n
FxF
m
N-1
N
qB
Kiehutin
Bx B
Palautussuhde
Ideaalipohjat
Pohja 1 lauhdutin
Pohja N kiehutin
Pohjia yhteensä N
Ideaaliaskelia N-1 (jos
kokonaislauhdutin, miksi?)
Pohjat voidaan numeroida
myös alhaalta ylös
Alite
19
R = LD / D
Lauhdutin
qD
Palautussäiliö
Palautussuhde on tärkeä
tislausta kuvaava parametri.
Palautus Tisle
LD
DxD
Sen avulla saadaan yhteys
tisleen määrän ja kolonnin
sisäisten virtausten välille
20
Harjoitus:
• kirjoita kolonnin väkevöintiosalle
ainetase (ajasta riippumaton)
• ratkaise siitä höyryn pitoisuus
nesteen pitoisuuden funktiona
mielivaltaisessa kohdassa kolonnia,
olettaen vakio höyry- ja
nestevirtaukset
• Esitä tulos palautussuhteen avulla
• Symboleita ja määritelmiä:
Vn, Ln, D, yn, xn, xD
Palautussäiliö
1
Dx D
2
Palautus
LD
Syöttö
Tisle
Vn y n = L n -1 x n -1 + Dx D
n
V =D+L
m
R = LD / D
FxF
Palautussäiliö
LD = L
1
DxD
2
Palautus
LD
Syöttö
Tisle
n
FxF
m
N
qB
Bx B
R
x
yn =
x n -1 + D
R +1
R +1
N-1
N
qB
Kiehutin
Bx B
Alite
Alite
21
22
Käyttöviiva
Väkevöimisosan käyttöviiva
qD
Lauhdutin
y=
qD
Lauhdutin
N-1
Kiehutin
R = LD / D
Käyttöviiva palautussuhteen avulla
qD
Lauhdutin
R
x
x+ D
R +1
R +1
Palautussäiliö
1
DxD
2
Palautus
LD
Syöttö
Väkevöimisosa eli rektifiointiosa
tarkoittaa kolonnissa syötön
yläpuoleista osaa
Tisle
Vn y n = L n -1 x n -1 + Dx D
n
FxF
m
Voidaan piirtää jos tisleen pitoisuus xD ja
palautussuhde R tunnetaan
N-1
N
qB
Kiehutin
Bx B
yn =
L n -1
D
x n -1 +
xD
Vn
Vn
Alite
23
24
Pohjan pitoisuuksien määrittäminen
Haihdutusosan käyttöviiva
qD
Lauhdutin
Palautussäiliö
1
Haihdutus- eli strippausosa
tarkoittaa kolonnissa syötön
alapuoleista osaa
DxD
2
Palautus
LD
Tisle
y
Tase pohjan m ja kolonnin
pohjan ympäri
n
Syöttö
Ideaaliaskeloletus, eli
faasitasapaino sitoo
poistuvia virtoja
FxF
Ainetase (käyttöviiva)
sitoo kolonnissa samalla
kohdalla olevia virtoja
m
L m -1 x m -1 = Vm y m + Bx B
N-1
qB
N
Kiehutin
x
Bx B
Alite
25
Väkevöimisosan käyttöviiva
y=
Tasapainokäyrä ja väkevöintiosan käyttöviivat
1.0
Yhdistä termit ja numerot
R
x
x+ D
R +1
R +1
0.9
0.8
Kolonnin alaosan
ja syöttökohdan
ainetaseiden avulla
voidaan piirtää
käyttöviiva myös
haihdutusosalle
0.7
0.6
tp-käyrä
0.5
diagonaali
R=0,5
0.4
R=1
0.3
R=3
0.2
R=10
26
Ideaaliaskelten lukumäärä
A) Tisleen
1.0
pitoisuus
0.9
B) Alitteen
0.8
pitoisuus
0.7
C) Syöttö
D) Tasapainokäyrä 0.6
E) Haihdutusosan 0.5
käyttöviiva
40.4
F) Väkevöintiosan 0.3
käyttöviiva
0.2
0.1
0.1
0.0
0.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
3
6
2
5
0.0
1.0
neste e n pitoisuus
27
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
Tislausnestee
KE- 42-3100
KeLa IIa
n pitoisuus
0.7
0.8
0.9
1.0
28
McCabe-Thiele menetelmä ideaaliaskeleiden
lukumäärän laskemiseksi
Kolonnin korkeus ja halkaisija
Ideaaliaskelten lukumäärä
Kolonnin korkeus saadaan ideaaliaskelten määrän
avulla (pohjaväli tai HETP). Lisäksi tarvitaan lisätilaa
nesteenjakolaitteille ym.
1.0
0.9
Tasapainokäyrä
0.8
0.7
Tisle
0.6
Väkevöintiosan
käyttöviiva
0.5
Alite
0.4
Kolonnin halkaisija saadaan erilaisista tulvimis- tai
painehäviökorrelaatioista, kun kolonnin sisäiset
virtaukset tiedetään (höyry- ja nestevirrat).
Syöttö
0.3
0.2
0.1
Nopeudet (m/s) eivät saa olla liian suuria, tai höyry ja
neste eivät mene sinne minne kuvitellaan.
Haihdutusosan
käyttöviiva
0.0
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
29
Tislausnesteen
KE- 42-3100
KeLa IIa
pitoisuus
30
Uutto
Ekstrakti: sisältää liuottimeen
liuennutta erotettavaa ainetta ja
jonkin verran muita syötön
komponentteja (kantajaa)
Uuttolaite, jossa
ekstrakti nestefaasit pyritään
saamaan hyvään
kontaktiin
vastavirtaperiaatetta
syöttö
hyödyntäen
Syöttö: jokin erotettava
komponentti liukenee liuottimeen
enemmän kuin muut
Uuton virrat
Liuotin: yleensä kierrätetään,
puhdistettu uutettavasta aineesta
(regeneroitu)
Uutto dekantterissa laboratoriossa
Liuotin
Liuotin
raffinaatti
Raffinaatti: se osa syötöstä joka ei
liuennut liuottimeen (kantaja).
Sisältää enää vähän erotettavaa
komponenttia mutta hiukan
liuennutta liuotinta
31
Syöttö
Ekstrakti
Raffinaatti
32
Liuottimen valinta
Teollinen esimerkki
Yksi uuton hyvä puoli on, että käytettävän liuottimen voi valita
Etikkahappoa voidaan valmistaa mm. metanolin
karbonylaatiolla, asetaldehydiä hapettamalla tai
selluloosa-asetaatin tuotannon sivutuotteena.
Minkälainen on hyvä liuotin?
- selektiivinen
- korkea kapasiteetti
- helppo erottaa uuteaineet liuottimesta ja liuotinjäämät
raffinaatista
- tiheysero syötön kanssa
- myrkytön, ei korrodoi...
Kaikissa tapauksissa etikkahapon ja veden seos pitää
erottaa, jotta saadaan jääetikkahappoa (> 99,8 p-%)
34
Vesi-etikkahappo höyry-neste tasapainotiedot
Vesi-etikkahappo höyry-neste tasapainotiedot
Dechema, vol I, part 1b, suppl. 2, p. 78
Dechema, vol I, part 1b, suppl. 2, p. 78
1
1
0.9
0.99
0.98
vettä höyryfaasissa
0.8
0.97
0.7
0.96
0.6
0.95
0.5
0.94
0.4
0.93
0.3
0.92
0.2
0.91
0.1
0.9
0.9
0.91
0.92
0.93
0.94
0.95
0.96
0.97
0.98
0.99
1
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Tasapainokäyrä lähellä diagonaalia
Veden höyrystymislämpö korkea ® tislaus kuluttaa paljon
energiaa
1
vettä nestefaasissa
Erotus näyttäisi periaatteessa mahdolliselta tislaamalla
35
36
Pohdi vierustoverisi
kanssa oheista prosessia
Sekoitin - selkeyttimet
- Mitä eri laitteissa
tapahtuu (kolonnit,
lämmönsiirtimet,
erotussäiliöt)
- Miksi virrat johdetaan
juuri näihin paikkoihin
prosessissa. Käy läpi
kaikki virrat
38
37
Uuttolaitteet KE- 42-3100 KeLa IIa
Kertaus
• Erotusprosessien suunnittelu perustuu faasitasapainoon ja
nopeuteen, jolla sitä lähestytään
• Tislaus voidaan suorittaa jatkuvatoimisessa välipohja- tai
täytekappalekolonnissa, tai panostoimisesti
• Tislauskolonnin suunnittelu alkaa tyypillisesti tarvittavien
ideaaliaskelten määrän laskemisella
• Uutto perustuu siihen, että liuokseen lisätään liuotin,
jolloin muodostuu kaksi nestefaasia
• Uuttoprosessi tarvitsee ympärilleen kaikenlaista lisuketta
39
40