ההשפעה של יחס ריפלוקס על יעילות זיקוק מגש

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 R_D הוא יחס ריפלוקס, L הוא קצב ריפלוקס, ו- D הוא קצב הזיקוק עבור שתי זרימות הטוחנות. בעת הפעלה ב reflux הכולל (R_D → ∞), 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 R_Dהמינימום , כדי להשיג אופטימלי כלכלית. R_D 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 E_ML הוא יעילות Murphree, X_n-1 הוא הרכב נוזלי הזנת מגש n, X_n הוא הרכב נוזלי עוזב מגש n, ו X_n* הוא הרכב נוזלי בשיווי משקל עם אדים עוזב מגש n. הרכב האדים Y חייב להימצא מהפתרון לאיזון המסה של הרכיב (קו ההפעלה), ו- X_n* 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.

גורם התגובה המתאים (RF_i) עבור כל רכיב, שהוא היחס בין עוצמת האות לכמות הניתוח המוזרק והוא מסופק בתוכנה, משמש לקביעת ה- wt% של כל דגימה.

(3)

יחס ריפלוקס (R_D = 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 R_D ביניים מן הרכבי מדגם נוזלי עבור כל ששת המגשים באמצעות נתוני שיווי משקל כדי למצוא x_n^*. 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- y_n's מה- x_n's. לאחר מכן ניתן להשתמש בנקודת בועה או בלוק הבזק כדי לקבוע את ערכי x_n* מה- y_n'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 (R_D = 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

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, R_D = 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.

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 (R_Dגבוה 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- R_Dנמוך , 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