L'effet du taux de reflux sur l'efficacité de la distillation en plateaux

Source : Kerry M. Dooley et Michael g. Benton, département de génie chimique, Louisiana State University, Baton Rouge, Louisiane

Plateau et colonne remplie est tous deux couramment utilisés pour la distillation, l’absorption et décapage des opérations de séparation. ^{1 , 2} l’objectif de cette expérience consiste à distiller un mélange d’alcools (méthanol, isopropanol) et de l’eau dans une colonne de barre d’État du tamis et examiner comment étroitement simples théories de distillation basé sur l’équilibre des hypothèses sont suivies. Plateaux de tamis fournit maximale zone d’interface entre le liquide et la vapeur. Un schéma P & ID du bac tamis (chaque plateau contient des trous dans une plaque de support), système de distillation se trouvent dans l’annexe A.

Dans cette démonstration, l’unité de Distillation de plateau (TDU) est démarré en mode de reflux total. Après qu’un niveau de tambour de reflux constant est atteint, un commutateur pour mode de reflux finis se fait en ajustant les bottoms, régulateurs de taux de débit du distillat et reflux comme nécessaire pour maintenir un niveau constant dans le tambour de reflux et le reboiler et de maintenir un ratio de reflux R _D = L/D. Une fois que l’état d’équilibre est atteint (prend au moins 90 min), liquide les échantillons seront prélevés sur le tambour de reflux, rebouilleur et sur chaque plateau et analysés dans un chromatographe en phase gazeuse. Un protocole typique est d’étudier les effets du ratio de reflux sur une large plage. Les analyses de l’échantillon, l’efficacité de la barre d’État peut être déterminée pour chacun des trois composants sur tous les plateaux de six en supposant que le dépassement de capacité constante molaire (méthode de McCabe-Thiele). Les résultats peuvent aussi être simulés à l’aide un simulateur de processus d’équilibre, de si elles sont disponibles. Ces deux méthodes peuvent également servir à déterminer l’efficacité globale de la barre d’État. En outre, conciliation des données des bilans massiques peut être effectuée pour déterminer s’il existe des erreurs de mesure brute. Tout manuel de séparations ou opérations unitaires couvre les éléments fondamentaux de la distillation, y compris les concepts de base tels que le ratio de reflux, l’efficacité Murphree et la méthode de McCabe-Thiele et diagramme. ²

Tous les procédés de distillation dépendent des différences de composition entre les phases liquides et de vapeur en contact qui échangent masse. Dans une colonne de distillation, causent des différences de densité vapeur circulent vers le haut vers la phase qui précède et gravité fait le liquide s’écouler vers le bas pour le plateau en bas. Pour rendre la vaporisation partielle dans chaque plateau dans un processus de séparation pratique, le liquide et la vapeur doivent s’écouler contrecourant par plusieurs étapes. Il faut aussi une surface interfaciale suffisante sur n’importe quelle étape donnée. Colonnes de distillation emballés utiliser le matériel d’emballage spécialisé avec petits canaux pour augmenter contact liquide-vapeur en petits quartiers. ^{1 , 2} Ces colonnes de distillation sont souvent utilisés pour récupérer les solvants et liquides corrosifs parce que l’emballage peut plus facilement être fabriqué avec des matériaux résistants. ¹ une différence majeure entre les colonnes de distillation emballés et colonnes de distillation de plateau est que les colonnes emballées sont généralement plus rentables dans les colonnes d’un diamètre inférieur (disons, < 0,6 m), tandis que les colonnes de plateau sont généralement plus rentables à grands diamètres. ¹ colonne remplie peut fonctionner à basse pression, mais ne peut pas gérer plus élevé des débits liquides sous forme de colonnes de la barre d’État. ^{1 , 2} Toutefois, les deux types peuvent inonder (rempli de liquide et ont une augmentation significative de la chute de pression) à haut assez débits de gaz ou un liquide. ^{1 , 2} plusieurs types spécialisés de distillation existent, y compris de distillation sous vide, extractive, réactive et cryogénique. ^{1 , 2}

La colonne de distillation de Scott se compose de six plateaux de tamis, dont chacun comprend deux conduites semi-cylindrique (downcomers) pour le liquide au flux du plateau supérieur et le plateau en bas. Le mur de colonne de distillation de Scott est fait de verre ; donc l’écoulement du liquide dans la colonne peut être observée à le œil nu. Un schéma de l’appareil est donné en annexe A.

Les composants (plus volatiles) plus légers (par exemple, le méthanol) finit par se concentrer dans la vapeur, alors que les éléments plus lourds se concentrent par la suite dans le liquide. Certains de la vapeur condensée doivent être retourné à la colonne comme reflux d’obtenir toute séparation au-delà de celle donnée par un stade d’équilibre unique. Le reste de la vapeur condensée est recueilli dans le distillat. C’est ce qu’on appelle reflux partiel. Au bas de la colonne, partie du liquide du bac du bas (#6) se vaporise dans un rebouilleur pour générer la vapeur (le boilup) pour le bac inférieur. Le ratio de reflux est le ratio de reflux aux flux molaire de distillat :

(1)

où d et_D est le ratio de reflux, L est le débit du reflux, et D est le taux de distillat pour les deux flux molaires. Lorsqu’ils fonctionnent à reflux total (R_D → ∞), la séparation des composants est maximal, mais aucun produit n’est recueillie. Toutes les distillations pratiques doivent être assurées à un ratio de reflux finis, qui est souvent proche de 1,2 fois le minimum R_D, pour atteindre un optimum économique. Le minimum de R_D peut atteindre à peine de la séparation spécifiée et nécessiterait un nombre infini de plateaux.

L’efficacité de phase liquide plateau Murphree est définie comme la modification de la composition liquide sur un plateau divisé par le changement qui serait survenu si le liquide sortant était en équilibre avec la vapeur sortant. L’efficacité Murphree pour un plateau unique est donnée par :

(2)

où E_ML est l’efficacité Murphree, X_n-1 est la composition liquide entrant dans le bac n, X_n est la composition liquide laissant plateau n et X_n* est la composition liquide en équilibre avec la vapeur laissant n bac. La composition de la vapeur Y il faut trouver la solution pour le bilan de masse du composant (la marge) et X_n* se trouve de Y en supposant d’équilibre. L’efficacité Murphree se comporte souvent qualitativement semblables à des taux de transfert de masse, c'est-à-dire, faible efficacité serait souvent associée à des zones interfaciales basses ou faibles vitesses superficielles. Toutefois, une exception à cette règle générale est que des débits très élevés peuvent également causer l’efficacité faible à cause de l’entraînement du liquide par la vapeur sous forme de gouttelettes dans la partie supérieure d’un tiroir. Donc, les ingénieurs utilisent l’efficacité Murphree pour identifier les problèmes dans les colonnes de distillation et d’améliorer la conception interne à une meilleure efficacité de 100 % d’approche sur tous les plateaux.

La SAB est exploité depuis une interface d’ordinateur d’un système de contrôle distribué. L’interface est entièrement graphique. La colonne contient 6 plateaux et un condenseur total un rebouilleur partiel (annexe A). Le mélange est contenu dans le réservoir d’alimentation, et l’alimentation se compose théoriquement de méthanol (~ 50 wt.%), alcool isopropylique (~ 30 wt.%) et de l’eau (~ 20 wt.%).

1. commencer le Mode Reflux Total

1. Allumer l’eau de refroidissement. Si le niveau de liquide rebouilleur est insuffisant, ajouter des flux Si trop élevé, utilisez la pompe à fond pour renvoyer liquide au réservoir d’alimentation.
2. Allumez le chauffage principal rebouilleur à partir de l’interface et les réchauffeurs de bande à l’aide de l’interrupteur de l’appareil en haut à droite. Mettre le régulateur de température du rebouilleur de manuel (MAN), donnez-lui une sortie (OP) d’au moins 60 %, puis attendez que la vapeur généraux à se condenser et le tambour de reflux pour commencer le remplissage, comme on le voit sur l’interface. La puissance de préchauffeur de reflux démarre avec le radiateur rebouilleur.
3. Lorsque le niveau de tambour de reflux atteint 50 %, mettre le régulateur de débit du reflux dans l’AUTO, lui donner une valeur de consigne (SP) de 20 % et mettre en marche la pompe de reflux.
4. Dès que vous mesurez un flot de reflux sur le contrôleur, progressivement diminuer la consigne par paliers d’un pour cent de toutes les quelques secondes jusqu'à ce que le débit du reflux est 12-13 % de l’échelle (span = l’étendue totale de l’émetteur).
5. Mettre le reflux Préchauffer le contrôleur en mode AUTO et lui donner une consigne de ~ 65 ° C, ou une autre valeur convenable près de la température du bac supérieur.
6. Attendez que le niveau de tambour de reflux atteindre au moins 50 % avant d’ajuster manuellement le débit du reflux en changeant la valeur de consigne sur le régulateur de débit du reflux tant qu’il est nécessaire de prévoir un niveau de tambour de reflux constant de 25 à 75 %.
7. Lorsque toutes les flux, les niveaux, les températures et les compositions sont proches de leurs valeurs de consigne et ne sont pas changer sensiblement pendant 2 min, état d’équilibre a été atteint.

2. passage en Mode Reflux finis

1. Mettre le régulateur de débit alimentation auto et lui donner une valeur de consigne correspondant à ~ 120 cm3/min.
2. Mettre en marche la pompe d’alimentation humaine et animale de préchauffage. Mettre l’alimentation Préchauffer le contrôleur en mode AUTO et lui donner une consigne de ~ 65 ° C ou autre température près de celle de la température du bac d’alimentation.
3. Mettre le régulateur de vitesse de débit de reflux en AUTO et lui donner une valeur de consigne d’environ 80 % de l’affaire de reflux total comme point de départ.
4. Commencer le retrait distillat produit (régler le régulateur de débit à > 0 flux) pour maintenir un niveau de 25-75 % dans le tambour de reflux. Mettre le régulateur de débit du distillat en AUTO et régler son point de consigne à moins que les autres instructions plus précisément un appel pour un contrôle manuel. Essayez 3 rapports de reflux différents autour de 1 (p. ex., 0.8, 1.2, 1.6), mais maintenez la constante de vitesse de boilup en maintenant le devoir de chaleur constante à une valeur qui donne le débit du distillat.
5. Début retrait bottoms produit (régler le régulateur de débit à > 0 flux) pour maintenir un niveau constant de 60 à 80 % dans le reboiler. Mettre le régulateur de débit de fond en AUTO, mettre en marche la pompe à fond et ajuster son point de consigne, à moins que les autres instructions plus précisément un appel pour un contrôle manuel. Les deux produits doivent s’écouler vers le réservoir d’alimentation.
6. Lorsque toutes les flux, les niveaux, les températures et les compositions sont proches de leurs valeurs de consigne, état d’équilibre a été atteint. Les régulateurs de débit peuvent devoir être ajustée ; Rappelons, F = B + D (feed = bas + distillat sur une base molaire, et le distillat sera principalement de méthanol).
7. Recueillir des échantillons de volume mL quelques des aliments pour animaux, semelles extérieures et distillat en même temps (voir Figure 3, annexe A). Pour collecter les aliments pour animaux, insérez une pipette à travers l’orifice supérieur du réservoir d’alimentation. Il faut qu’un seul ensemble d’échantillons par l’état d’équilibre. Il est également possible de l’échantillon liquide de chaque plateau via son port de cloison à l’aide de seringues aiguille courbe ce que seulement un état stationnaire.

3. mise en place du chromatographe en phase gazeuse

Le gaz ghromatograph (GC) est exploité par un logiciel du fournisseur. La colonne est Porapak Q, 1/8" de diamètre et 2 pieds de long.

1. Sélectionnez la fenêtre de méthode et de la commande exécuter. Dans la barre de menu rempli d’icône, sélectionnez la méthode et prendre le départ. Méthode de M.
2. Sur la façade de la GC, appuyez sur entrée avant. La pression doit être définie sur 4,5 lb/po2.
3. Injecter un échantillon de microlitre 0.1 (même volume chaque fois) et appuyez sur le bouton Start sur le panneau avant du GC. Le logiciel affichera « Exécuter » en cours / Acquisition de données, avec le temps écoulé comptage vers le haut.
4. Résultats apparaîtront dans un rapport sur l’écran du logiciel après environ 3 min, sous la forme d’un tableau contenant des pics de GC. Faites défiler le rapport pour voir les résultats de % de zone.

4. arrêt de la colonne de Distillation

1. Désactiver tous les trois appareils de chauffage, la pompe à fond et la pompe d’alimentation.
2. Mettre tous les contrôleurs sauf le débit du reflux chez l’homme et régler leurs sorties (OP) à 0 %.
3. Mettre le régulateur de vitesse de débit de reflux chez l’homme et la valeur de ses OP à 20 %.
4. Allumez le remplacement de pompe de reflux et laissez la pompe de reflux sur jusqu'à ce que le tambour de reflux est vide.
5. Dès que le tambour de reflux est vide, décoller le remplacement de pompe de reflux, arrêter la pompe de reflux, mettre le régulateur de vitesse de débit de reflux chez l’homme et ses OP la valeur 0 %.
6. Laisser l’eau de refroidissement sur jusqu'à ce que toutes les températures de plateau six sont inférieures à 60 ° C, puis éteignez-le.

Le facteur de réponse (RF_i) pour chaque composant, ce qui est le rapport entre l’intensité du signal à la quantité de substance injectée et n’est fourni dans le logiciel, sert à déterminer le % en poids de chaque échantillon.

(3)

Ratio de reflux (R_D = L/D) a un effet énorme sur les deux efficacités de plateau de colonne (à des taux de flux et de distillat constants) et sur la composition du distillat et semelles extérieures. Un taux de reflux inférieur réduit considérablement la pureté de méthanol du distillat. Par conséquent, un appareil de distillation de plateau fonctionnant à un taux plus élevé de reflux mais constant distillat et taux de fond sera plus efficace pour la séparation. Cependant, reflux supplémentaire augmente les coûts d’exploitation en ajoutant des supplémentaires plus (rebouilleur) de chauffage et de ventilation des coûts (condenseur).

Murphree liquides efficacités ont été calculées à un intermédiaire R_D de la composition de l’échantillon liquide pour tous les six plateaux à l’aide de données d’équilibre à trouver x_n^*. Pour ces calculs, l’hypothèse de dépassement de capacité constante molaire sur les taux de vapeur et liquide dans chaque section a été appliqué. Une parcelle de McCabe-Thiele représentatif de ces calculs est illustrée à la Figure 1. Un liquide saturé d’alimentation (q = 1) a supposé, comme le flux a été chauffé à proximité de sa bulle point. Fractions molaires feed, distillat et semelles extérieures réelles respectivement 0,53, 0,76 et 0,39. Le prévisions concernant le nombre d’étapes d’équilibre est ~ 4. Le nombre de plateaux est 6 + 1 = 7, donc l’efficacité globale de la colonne est ~ 57 %. Si l'on revient à l’équation (2), un bloc de bilan massique dans un simulateur de procédé pourrait être utilisé pour calculer les y_nx_n' s. Puis un point bulle ou flash bloc pourrait être utilisée pour déterminer le x_n* des valeurs de l’o_n' s.

Figure 1 : Construction binaire Pseudo-aléatoire McCabe-Thiele (fractions de mole de méthanol uniquement) pour une distillation à F = 2,12, D = 1,19 et R = 1.45 gmol/min (R_D = 1.2), l’alimentation à bac 3.

Les tendances dans les gains d’efficacité Murphree peuvent s’expliquer par ce que l'on sait généralement l’efficacité bac tamis, particulièrement au sujet des taux de transfert de masse et d’entraînement sur des plateaux de tamis. Pour une colonne de verre, il est facile d’observer où le débit du liquide est trop bas (un plateau presque « sec ») ou trop élevé (entraînement du liquide). Ou l’autre condition peut être attribuée à l’efficacité faible plateau.

Il y a une gamme de Murphree l’efficacité, l’efficacité inférieure liés à des taux de transfert de masse lente ou pleurs (barre d’état « sec ») ou à liquide entraînement à la vapeur, ou une combinaison de ces (tableau 1). Selon la position de la barre d’État, si c’est en haut, il pourrait être l’entraînement, ou pleurais devant les plateaux inférieurs. Les conditions du tableau 1, bac 2 a été significativement plus efficace que ses concurrents, et l’observation visuelle a montré qu’il est très mousseux, si haut dans la zone interfaciale. Bac 1 était encore plus mousseux, mais certains entraînement a pu être observée. Ce comportement est la conséquence d’une faible tension superficielle pour un mélange alcoolique ; sur les plateaux de deux albums, presque toute l’eau avait été enlevée, laissant derrière eux surtout méthanol avec certains isopropanol. Le bac en dessous montre l’efficacité seulement 18 % de méthanol ; On trouve parfois une telle efficacité pauvre quand un composé différent (ici, l’eau) subit un changement de concentration profonde sur le plateau.

Tableau 1 : efficacité de la Phase liquide Murphree plateau, méthanol ¹

¹ Même les conditions quant à la Figure 1.

Les résultats expérimentaux ont été également simulés à l’aide de thermodynamique NRTL (coefficient d’activité) mesuré les paramètres et un simulateur d’équilibre avec une efficacité constante plateau moyen qui reproduit à peu près compositions (bottoms, distillat, alimentation). La perte de chaleur de la colonne moyenne est de ~ 400 W et a été incorporée dans la simulation comme une variable mesurée. Comme on le voit à la Figure 2, en supposant que 100 % d’efficacité (équilibre parfait sur tous les plateaux) capture le comportement de la colonne, pas quantitatif mais qualitatif en ce qui concerne les taux de débit de vapeur croissante. Le même devrait être true à variation du ratio de reflux.

Figure 2 : Des compositions de distillat expérimentales et simulées en fonction du taux de vapeur section rectification (G + D). F = 2,12 gmol/min, R_D = 1.2, se nourrissent de bac 3.

Figure 2 compare les compositions expérimentales distillat (vs taux de vapeur au condenseur) pour les résultats prévus de l’équilibre et de non-équilibre simulations de cette colonne. L’objectif des simulations devait correspondre à des compositions de distillat et de semelles extérieures aussi étroitement que possible. Le simulateur de non-équilibre donne de meilleures prévisions parce qu’elle suppose et puis calcule finis taux de transfert de masse. Aucune simulation peut capturer le comportement exact, peut-être parce que ni les comptes pour l’entraînement qui, comme mentionné, était clairement visible sur les plateaux des deux premiers. Il peut aussi être légères erreurs expérimentales (notamment pour le point expérimental médian), parce qu’aucune théorie ne prédit un minimum à un taux intermédiaire de vapeur. Parmi les causes possibles d’erreur expérimentale, il est difficile de mesurer avec précision les débits faibles reflux avec compteur à turbine sur le flux de reflux.

Colonnes de distillation de bac sont souvent du type tamis, avec de petits trous pour le flux de vapeur et la plus grande downcomers pour acheminer le liquide du bac à bac par gravité. Composantes les plus volatiles sortie pour la plupart dans le distillat, bien que certains la vapeur supérieure est condensée et retourné à la colonne dans le reflux de liquide. Il a été démontré que déterminer la Murphree efficacités de plateau peuvent être importantes en identifiant les problèmes sur des plateaux spécifiques dans les colonnes de distillation, telles que des vitesses de transfert de masse faible, suintantes ou inondations. Alors que les plus élevées de vapeur/reflux taux (plus élevée R_D) peuvent améliorer les taux de transfert de masse et éliminer les pleurs, si elles sont trop élevés, le plateau d’efficacité diminuera en raison de l’entraînement de liquide. Dans une expérience précédente, on a observé (Figure 2) que tous les avantages des taux plus élevés de vapeur ont été compensées par l’entraînement accru sur les plateaux supérieurs. C’est parce que la fraction molaire de distillat expérimental du méthanol composant léger effectivement diminué légèrement en ce qui concerne le taux de vapeur. Bien sûr, au bas de la R_D, même des calculs d’équilibre, comme la méthode de McCabe-Thiele, prédisent la séparation de composantes les plus pauvres. Par conséquent, données prises à divers taux de reflux peuvent présenter plus de variation dans la composition de distillat.

Une application courante de la distillation de la plaque est dans le raffinage du pétrole. Plusieurs raffineries de pétrole utilisent distillation plateau pour séparer brut en produits multiples. Les premières pièces principales de l’équipement dans une raffinerie de pétrole sont généralement les alambics bruts (habituellement un à pression atmosphérique et un ou plusieurs opérant sous vide), qui séparent les brutes en LPG (gaz de pétrole liquéfié, pour la plupart au propane-butane), naphta (ce qui peut être réformé à l’essence), pétrole lampant (kérosène), gazole et gazole moyen et lourd. Les points d’ébullition atmosphériques sur ces fractions varient de ~ 30-400 ° C. ³ autres distillations sont utilisées pour affiner les produits. ⁴ ingénieurs chimistes travaillant sur ces processus se concentrer sur l’obtention de l’assortiment de produits souhaités et optimisant l’efficacité du plateau.

Colonnes de distillation de bac sont également utilisés pour distiller de l’éthanol. ⁵ au moyen de processus étroitement liés, une variété de produits tels que l’éthanol-carburant, bière et boissons alcoolisées peuvent tous être distillé (donc la nom « distillerie »). ⁵ tandis que la séparation eau/éthanol est le plus important, les produits de fermentation plus lourds seront également supprimés dans le fond. À la pression atmosphérique, le distillat est limité à la composition azéotropique (95,5 wt % d’éthanol à 78,1 ° C). Outre distillation nécessite un type distinct de distillation appelée distillation azéotropique, bien qu’autre séparation eau/éthanol est possible en utilisant un agent d’extraction ou un bon vide. ⁵

La séparation de l’air en N₂, O₂, Ar etc. demande distillation cryogénique. ⁶ l’air doit être refroidi au-dessous de la température critique d’O₂ (-119 ° C à 5,04 MPa) pour obtenir une phase liquide. Après distillation l’O₂ est principalement dans le fond et le N₂ dans le distillat. Soit peuvent ensuite être expédiés en gaz (pipeline) ou formes liquide (tankcar réfrigéré ou camion). ⁶ l’argon est la seule composante d’air généralement séparée afin d’obtenir un produit presque pur.

ANNEXE A

La figure 3. P & ID de schéma du système de distillation Scott