1
samenvatting gevorderde
scheidingstechnologie
deel 1 : destillatie
inleiding
destillatie :
- meestal 2 producten : destillaat en bodemproduct
- voeding bestaat uit vloeistof of vloeistof-damp of zzelfs volledig dampvormig
o ondergekoelde vloeistof
o oververhitte damp
o vloeistof op kookpunt
o damp op dauwpunt
o gas-vloeistof mengsel
- bodemproduct (raffinaat) is bijna altijd een vloeistof terwijl het destillaat zowel als vloeistof
en als damp kan worden afgenomen
verschil met absorptie en stripping : de 2 de fase wordt verkregen door warmtewisseling (condensatie
of verdamping)
- om een scheiding te kunnen verwezenlijken moeten de componenten een verschil in
vluchtigheid vertonen (indien niet andere scheidingstechniek gebruiken !)
- meest gebruikte scheidingstechniek
de voeding (F) wordt binnengebracht op een bepaalde voedingsplaat:
- het gedeelte hierboven noemen we de verijkingssectie / absorptiesectie
- het gedeelte onder de voedingsplaat is de verarmingssectie
de scheiding wordt gerealiseerd door de vloeistof en damp in tegenstroom te brengen daarom
moet er altijd een deel van het destillaat worden teruggestuurd als vloeibare reflux.
destillatie is een erg energie-intensief proces!
algemene vuistregels:
1) reflux ratio (R) = debiet reflux / debiet destillaat = 1.11.5 van de minimale reflux ratio
2) aantal trappen / minimum aantal trappen = 2
3) efficiëntie van de trappen = 80%
, 2
ontwerpoverwegingen
1) bij welke fase-conditie gaan we de voeding binnenbrengen:
a. hoeveel meer damp hoeveel hoger de reflux moet zijn
b. hoe minder veel er moet opgekookt worden in de reboiler
c. op thermodynamische overwegingen
d. voeding wordt best wel binnengebracht op een T die in de buurt ligt van de
werkingstemperatuur in de kolom
2) welke werkingsdruk ?
a. druk waarbij de condensatie-temperatuur > 10°C boven temperatuur van het
koelwater (25°C)
b. lagere druk dan de kritische druk uiteraard
c. op vlak van veiligheid gaan we best ook werken op een lichte overdruk i.v.m. de
atmosferische druk
d. ook ervoor zorgen dat de temperatuur onderaan niet zo hoog is dat er geen
polymerisatie of degradatie voorkomt
3) met behulp van McCabe-Thiele:
a. bepaling minimum reflux
b. bepaling minimum trappen
c. bepaling optimale voedingstrap
McCabe-Thiele methode
nomenclatuur
- minst vluchtige component : zware sleutel (HK = 2)
- vluchtigste component : lichte sleutel (LK=1) (we gaan meestal alle vergelijkingen op basis
van deze component opstellen)
- molfractie in voeding : z
- molfractie in destillaat : xD
- molfractie in bodemproduct : xB
- relatieve vluchtigheid α=K1/K2 = P1VAP/P2VAP (laatste geld enkel voor ideale mengsels)
o geeft de moeilijkheid van de scheiding (hoeveel dichter bij 1 hoeveel moeilijker)
opstellen evenwichtslijn
met behulp van de kennis over dampspanningen van zuivere componten.
met de wet van Antoine
, 3
typisch gegeven data:
- F = totaal voedingsdebiet
- zF = samenstelling van dit binairvoedingsdebiet
- P = druk in de kolom
- xD = samenstelling destillaat
- al dan niet adiabatische werking
- xB = samenstelling bodemproduct
- locatie van de voedingsplaat
- R/Rmin = refluxverhouding tegenover het minimum
typische resultaten:
- D = debiet distillaat
- B= bodemdebiet
- Nmin = minimum aantal evenwichtstrappen
- Rmin = minimale refluxverhouding
- R= de refluxverhouding = L/D
- VB = de boilup-verhouding = V/B
- N = aantal evenwichtstrappen
o locatie optimale voedingstrap
o vloeistof en dampsamenstelling per evenwichtsplaat
opstellen werkingslijnen
De gehele McCabe -Thiele methode is gebaseerd op het uitwerken van een massabalans die we
kunnen gebruiken om de bodem en destillaatdebieten uit te rekenen
, 4
de aanrijkingssectie
= geeft het verband tussen de in-en uitgaande stromen op een evenwichtstrap, met V de opstijgende
dampdebiet en L de neerdalende vloeistofdebiet en D het afgenomen distillaatdebiet.
de componentenbalans van de lichte sleutel:
V n +1 . y n+1=L n . x n+ D x D
Ln D
y n+ 1= . x n+ .x
V n+1 V n +1 D
Dit is een rechte met als helling L/V indien we deze constant kunnen beschouwen
L en V zijn constant wanneer we de volgende aannames nemen :
- de componenten constante en gelijke verdampingsenthalpie hebben
- de veranderingen in warmtecapaciteit en mengwarmte verwaarloosbaar zijn tegenover de
verdampingsenthalpie
- de kolom adiabatisch werkt
- geen drukval over de kolom is
- de reflux wordt binnengebracht als kokende vloeistof (geen onderkoelde vloeistof)
Hierdoor krijgen we een constante molaire overloop in de aanrijkingssectie en kunnen we de vorige
vergelijking herleiden tot:
L D
y= . xn+ . x D
V V
we definiëren R : L/D
en we weten uit de algemene massabalans dat : V =L+D
dan kunnen we de bovenstaande formule omvormen naar:
R 1
y= . xn + .x
R+1 1+ R D
hieruit ontstaat een werklijn waarvan we trappen kunnen
tekenen die grenzen aan de evenwichtslijn
- op de evenwichtslijn lezen we de opstijgende damp van die trap af
samenvatting gevorderde
scheidingstechnologie
deel 1 : destillatie
inleiding
destillatie :
- meestal 2 producten : destillaat en bodemproduct
- voeding bestaat uit vloeistof of vloeistof-damp of zzelfs volledig dampvormig
o ondergekoelde vloeistof
o oververhitte damp
o vloeistof op kookpunt
o damp op dauwpunt
o gas-vloeistof mengsel
- bodemproduct (raffinaat) is bijna altijd een vloeistof terwijl het destillaat zowel als vloeistof
en als damp kan worden afgenomen
verschil met absorptie en stripping : de 2 de fase wordt verkregen door warmtewisseling (condensatie
of verdamping)
- om een scheiding te kunnen verwezenlijken moeten de componenten een verschil in
vluchtigheid vertonen (indien niet andere scheidingstechniek gebruiken !)
- meest gebruikte scheidingstechniek
de voeding (F) wordt binnengebracht op een bepaalde voedingsplaat:
- het gedeelte hierboven noemen we de verijkingssectie / absorptiesectie
- het gedeelte onder de voedingsplaat is de verarmingssectie
de scheiding wordt gerealiseerd door de vloeistof en damp in tegenstroom te brengen daarom
moet er altijd een deel van het destillaat worden teruggestuurd als vloeibare reflux.
destillatie is een erg energie-intensief proces!
algemene vuistregels:
1) reflux ratio (R) = debiet reflux / debiet destillaat = 1.11.5 van de minimale reflux ratio
2) aantal trappen / minimum aantal trappen = 2
3) efficiëntie van de trappen = 80%
, 2
ontwerpoverwegingen
1) bij welke fase-conditie gaan we de voeding binnenbrengen:
a. hoeveel meer damp hoeveel hoger de reflux moet zijn
b. hoe minder veel er moet opgekookt worden in de reboiler
c. op thermodynamische overwegingen
d. voeding wordt best wel binnengebracht op een T die in de buurt ligt van de
werkingstemperatuur in de kolom
2) welke werkingsdruk ?
a. druk waarbij de condensatie-temperatuur > 10°C boven temperatuur van het
koelwater (25°C)
b. lagere druk dan de kritische druk uiteraard
c. op vlak van veiligheid gaan we best ook werken op een lichte overdruk i.v.m. de
atmosferische druk
d. ook ervoor zorgen dat de temperatuur onderaan niet zo hoog is dat er geen
polymerisatie of degradatie voorkomt
3) met behulp van McCabe-Thiele:
a. bepaling minimum reflux
b. bepaling minimum trappen
c. bepaling optimale voedingstrap
McCabe-Thiele methode
nomenclatuur
- minst vluchtige component : zware sleutel (HK = 2)
- vluchtigste component : lichte sleutel (LK=1) (we gaan meestal alle vergelijkingen op basis
van deze component opstellen)
- molfractie in voeding : z
- molfractie in destillaat : xD
- molfractie in bodemproduct : xB
- relatieve vluchtigheid α=K1/K2 = P1VAP/P2VAP (laatste geld enkel voor ideale mengsels)
o geeft de moeilijkheid van de scheiding (hoeveel dichter bij 1 hoeveel moeilijker)
opstellen evenwichtslijn
met behulp van de kennis over dampspanningen van zuivere componten.
met de wet van Antoine
, 3
typisch gegeven data:
- F = totaal voedingsdebiet
- zF = samenstelling van dit binairvoedingsdebiet
- P = druk in de kolom
- xD = samenstelling destillaat
- al dan niet adiabatische werking
- xB = samenstelling bodemproduct
- locatie van de voedingsplaat
- R/Rmin = refluxverhouding tegenover het minimum
typische resultaten:
- D = debiet distillaat
- B= bodemdebiet
- Nmin = minimum aantal evenwichtstrappen
- Rmin = minimale refluxverhouding
- R= de refluxverhouding = L/D
- VB = de boilup-verhouding = V/B
- N = aantal evenwichtstrappen
o locatie optimale voedingstrap
o vloeistof en dampsamenstelling per evenwichtsplaat
opstellen werkingslijnen
De gehele McCabe -Thiele methode is gebaseerd op het uitwerken van een massabalans die we
kunnen gebruiken om de bodem en destillaatdebieten uit te rekenen
, 4
de aanrijkingssectie
= geeft het verband tussen de in-en uitgaande stromen op een evenwichtstrap, met V de opstijgende
dampdebiet en L de neerdalende vloeistofdebiet en D het afgenomen distillaatdebiet.
de componentenbalans van de lichte sleutel:
V n +1 . y n+1=L n . x n+ D x D
Ln D
y n+ 1= . x n+ .x
V n+1 V n +1 D
Dit is een rechte met als helling L/V indien we deze constant kunnen beschouwen
L en V zijn constant wanneer we de volgende aannames nemen :
- de componenten constante en gelijke verdampingsenthalpie hebben
- de veranderingen in warmtecapaciteit en mengwarmte verwaarloosbaar zijn tegenover de
verdampingsenthalpie
- de kolom adiabatisch werkt
- geen drukval over de kolom is
- de reflux wordt binnengebracht als kokende vloeistof (geen onderkoelde vloeistof)
Hierdoor krijgen we een constante molaire overloop in de aanrijkingssectie en kunnen we de vorige
vergelijking herleiden tot:
L D
y= . xn+ . x D
V V
we definiëren R : L/D
en we weten uit de algemene massabalans dat : V =L+D
dan kunnen we de bovenstaande formule omvormen naar:
R 1
y= . xn + .x
R+1 1+ R D
hieruit ontstaat een werklijn waarvan we trappen kunnen
tekenen die grenzen aan de evenwichtslijn
- op de evenwichtslijn lezen we de opstijgende damp van die trap af
