Sürekli damıtma - Continuous distillation

Resim 1: Tipik endüstriyel damıtma kuleleri
Resim 2: Petrol rafinerilerinde kullanılan bir ham petrol vakum damıtma kolonu

Sürekli damıtma , bir çeşit damıtma , bir karışım (kesintisiz) sürekli bir şekilde devam eden bir ayırma işlemi beslenir ve çıkış akışları olarak ayrılmış kısımlar, sürekli uzaklaştırılır. Damıtma, sıvı besleme karışımının seçici kaynatma (veya buharlaştırma ) ve yoğunlaştırma yoluyla bileşenlere veya fraksiyonlara ayrılması veya kısmen ayrılmasıdır . İşlem en az iki çıktı fraksiyonu üretir. Bu fraksiyonlar , kaynamış ve bir sıvıya yoğunlaştırılmış bir buhar olarak ayrı olarak yakalanmış en az bir uçucu damıtılmış fraksiyon ve pratik olarak her zaman bir dip (veya tortu) fraksiyonu içerir; bu, ayrı olarak tutulmayan en az uçucu kalıntıdır. yoğunlaştırılmış buhar.

Sürekli damıtmanın bir alternatifi kesikli damıtmadır , burada karışım damıtmanın başlangıcında üniteye eklenir, damıtma sırasında damıtık fraksiyonları sırayla (birbiri ardına) çıkarılır ve kalan dip fraksiyonu en sonunda çıkarılır. son. Distilat fraksiyonlarının her biri farklı zamanlarda alındığından, bir parti distilasyonu için sadece bir distilat çıkış noktası (konum) gereklidir ve distilat sadece farklı bir alıcıya, bir fraksiyon toplama kabına çevrilebilir. Toplu damıtma genellikle daha küçük miktarlar damıtıldığında kullanılır. Sürekli bir damıtmada, fraksiyon akımlarının her biri işlem boyunca eş zamanlı olarak alınır; bu nedenle her kesir için ayrı bir çıkış noktası gerekir. Uygulamada, birden fazla distilat fraksiyonu olduğunda, distilat çıkış noktaları bir fraksiyonlama kolonu üzerinde farklı yüksekliklerde bulunur . Alt kısım, damıtma kolonunun veya biriminin altından alınabilir, ancak genellikle kolonun tabanına bağlı bir yeniden kaynatıcıdan alınır .

Her fraksiyon bir veya daha fazla bileşen ( kimyasal bileşik türleri ) içerebilir . Damıtılması zaman ham petrol veya benzer bir besleme, her bir fraksiyon benzer uçuculuk ve diğer özellikleri bir çok bileşenler içermektedir. Küçük ölçekli veya laboratuvarda sürekli damıtma yapmak mümkün olsa da, çoğunlukla büyük ölçekli endüstriyel işlemlerde sürekli damıtma kullanılır.

Endüstriyel Uygulama

Damıtma, kimya mühendisliğinin birim işlemlerinden biridir . Sürekli damıtma, büyük miktarlarda sıvının damıtılması gereken kimyasal proses endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tür endüstriler, doğal gaz işleme , petrokimya üretimi, kömür katranı işleme, likör üretimi , sıvılaştırılmış hava ayırma, hidrokarbon solvent üretimi, kannabinoid ayırma ve benzeri endüstrilerdir, ancak en geniş uygulamasını petrol rafinerilerinde bulmaktadır . Bu tür rafinerilerde, ham petrol besleme stoğu, ayrılması gereken çok karmaşık çok bileşenli bir karışımdır ve saf kimyasal bileşiklerin verimleri beklenmez, yalnızca fraksiyonlar olarak adlandırılan nispeten küçük bir kaynama noktası aralığındaki bileşik grupları . Bu fraksiyonlar , fraksiyonel damıtma veya fraksiyonasyon teriminin kökenidir . Ürün gereksinimlerine ve ekonomiye dayalı olarak bu fraksiyonlardaki bileşenleri daha fazla ayırmaya genellikle değmez.

Endüstriyel damıtma tipik olarak, çapları yaklaşık 65 santimetre ile 11 metre arasında değişen ve yükseklikleri yaklaşık 6 metre ile 60 arasında değişen "damıtma kuleleri" veya "damıtma sütunları" olarak bilinen büyük, dikey silindirik sütunlarda (resim 1 ve 2'de gösterildiği gibi) gerçekleştirilir. metre veya daha fazla.

Prensip

Ana madde: Damıtma
Resim 3: Sürekli İkili Fraksiyonel Damıtma kulesinin kimya mühendisliği şeması. İkili bir damıtma, bir besleme karışımı akışını iki fraksiyona ayırır: bir distilat ve bir dip fraksiyon.

Sürekli damıtma ilkesi, normal damıtma ile aynıdır: sıvı bir karışım kaynayacak şekilde ısıtıldığında, sıvının üzerindeki buharın bileşimi sıvı bileşimden farklıdır. Bu buhar daha sonra ayrılır ve bir sıvı halinde yoğunlaştırılırsa , orijinal karışımın düşük kaynama noktalı bileşenlerinde daha zengin hale gelir.

Sürekli bir damıtma kolonunda olan budur. Bir karışım ısıtılır ve damıtma kolonuna yönlendirilir. Sütuna girerken, besleme aşağı akmaya başlar, ancak bunun bir kısmı, daha düşük kaynama noktalı bileşen(ler) buharlaşır ve yükselir. Ancak yükseldikçe soğur ve bir kısmı buhar olarak yükselmeye devam ederken bir kısmı (daha az uçucu bileşenle zenginleştirilmiş ) tekrar aşağı inmeye başlar.

Resim 3, bir besleme akışını iki fraksiyona, bir üst distilat ürünü ve bir alt ürüne ayırmak için basit bir sürekli fraksiyonel damıtma kulesini göstermektedir. "En hafif" ürünler (kaynama noktası en düşük veya uçuculuğu en yüksek olanlar) kolonların tepesinden çıkar ve "en ağır" ürünler (altlar, kaynama noktası en yüksek olanlar) kolonun altından çıkar. Üst akış, su soğutmalı veya hava soğutmalı bir kondansatör kullanılarak soğutulabilir ve yoğunlaştırılabilir . Alt yeniden kaynatıcı , buharla ısıtılan veya sıcak yağla ısıtılan bir ısı eşanjörü veya hatta gaz veya yağla çalışan bir fırın olabilir .

Sürekli bir damıtmada, sistem sabit durumda veya yaklaşık sabit durumda tutulur . Kararlı durum, işlem sırasında zaman geçtikçe işlemle ilgili miktarların değişmediği anlamına gelir. Bu tür sabit miktarlar, besleme giriş hızını, çıkış akış oranlarını, ısıtma ve soğutma oranlarını, geri akış oranını ve her noktadaki (konumdaki) sıcaklıkları , basınçları ve bileşimleri içerir. Besleme, ısıtma, ortam sıcaklığı veya yoğuşmadaki değişiklikler nedeniyle süreç kesintiye uğramadıkça, kararlı durum normal olarak korunur. Bu aynı zamanda, minimum miktarda (kolaylıkla alet edilebilir) gözetim dışında, sürekli damıtmanın ana cazibesidir; besleme hızı ve besleme bileşimi sabit tutulursa ürün oranı ve kalitesi de sabittir. Koşullarda bir değişiklik meydana geldiğinde bile, modern süreç kontrol yöntemleri genellikle sürekli süreci kademeli olarak tekrar başka bir kararlı duruma döndürebilir.

Bir sürekli damıtma birimi, sürekli olarak bir besleme karışımı ile beslendiğinden ve toplu damıtma gibi tümü bir kerede doldurulmadığından, bir sürekli damıtma birimi, yığın dolumu için büyük bir damıtma kabına, kabına veya rezervuarına ihtiyaç duymaz. Bunun yerine, karışım, gerçek ayırmanın meydana geldiği kolona doğrudan beslenebilir. Sütun boyunca besleme noktasının yüksekliği duruma göre değişebilir ve optimum sonuçları sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Bakınız McCabe–Thiele yöntemi .

Sürekli bir damıtma genellikle bir fraksiyonel damıtmadır ve bir vakum damıtma veya bir buhar damıtma olabilir .

Tasarım ve çalıştırma

Bir damıtma kolonunun tasarımı ve çalışması, beslemeye ve istenen ürünlere bağlıdır. Basit, ikili bileşen beslemesi verildiğinde, McCabe-Thiele yöntemi veya Fenske denklemi gibi analitik yöntemler , tasarıma yardımcı olmak için kullanılabilir. Çok bileşenli bir besleme için, bilgisayarlı simülasyon modelleri hem tasarım hem de daha sonra kolonun işletimi için kullanılır. Modelleme ayrıca, damıtma ekipmanının orijinal olarak tasarlandığı karışımların dışındaki karışımların damıtılması için halihazırda dikilmiş sütunları optimize etmek için de kullanılır.

Sürekli bir damıtma kolonu çalışırken, besleme bileşimi, çalışma sıcaklığı ve ürün bileşimindeki değişiklikler için yakından izlenmelidir . Bu görevlerin çoğu, gelişmiş bilgisayar kontrol ekipmanları kullanılarak gerçekleştirilir.

sütun besleme

Sütun farklı şekillerde beslenebilir. Besleme, damıtma kolonu basıncından daha yüksek bir basınçta bir kaynaktan geliyorsa, kolona basitçe boru ile verilir. Aksi takdirde, besleme sütuna pompalanır veya sıkıştırılır. Besleme, aşırı ısıtılmış bir buhar , doymuş bir buhar , kısmen buharlaştırılmış bir sıvı-buhar karışımı, doymuş bir sıvı (yani, kolon basıncında kaynama noktasındaki sıvı) veya alt soğutulmuş bir sıvı olabilir . Besleme, kolon basıncından çok daha yüksek bir basınçta bir sıvıysa ve kolonun hemen önündeki bir basınç düşürme valfinden akarsa, hemen genleşecek ve içeri girerken bir sıvı-buhar karışımı ile sonuçlanan kısmi bir flaş buharlaşmaya uğrayacaktır. damıtma sütunu.

Ayrımı iyileştirme

Resim 4: Bir besleme karışımı akışını dört distilat ve bir dip fraksiyona ayıran Sürekli Fraksiyonel Damıtma kulesinin basitleştirilmiş kimya mühendisliği şeması

Çoğunlukla camdan yapılmış küçük boyutlu birimler laboratuvarlarda kullanılabilse de, endüstriyel birimler "damıtma kuleleri" veya "damıtma sütunları" olarak bilinen büyük, dikey, çelik kaplardır (bkz. Resim 1 ve 2). Ayırmayı iyileştirmek için, kule normalde resim 5'te gösterildiği gibi içeride yatay plakalar veya tepsiler ile sağlanır veya kolon bir paketleme malzemesi ile paketlenir . Damıtmada yer alan buharlaşma için gereken ısıyı sağlamak ve aynı zamanda ısı kaybını telafi etmek için, ısı çoğunlukla kolonun altına bir yeniden kaynatıcı tarafından eklenir ve üst ürünün saflığı , harici olarak bir kısmı geri dönüştürülerek iyileştirilebilir. reflü olarak yoğunlaştırılmış üst ürün sıvısı . Damıtma kolonları, amaçlarına bağlı olarak, Şekil 4'te gösterildiği gibi kolonun uzunluğuna kadar aralıklarla sıvı çıkışlarına sahip olabilir.

Cezir

Büyük ölçekli endüstriyel fraksiyonasyon kuleleri , ürünlerin daha verimli ayrılmasını sağlamak için geri akış kullanır. Geri akış, bir damıtma kulesinden gelen yoğunlaştırılmış üst sıvı ürününün, 3 ve 4 numaralı resimlerde gösterildiği gibi kulenin üst kısmına döndürülen kısmı anlamına gelir. Kulenin içinde, aşağı doğru akan geri akış sıvısı, yukarı doğru akan buharların soğutulmasını ve kısmi yoğunlaşmasını sağlar. , böylece damıtma kulesinin etkinliğini arttırır. Ne kadar fazla geri akış sağlanırsa, kulenin düşük kaynama noktalarını beslemenin yüksek kaynama noktalı bileşenlerinden ayırması o kadar iyi olur. Bir kolonun dibinde bir yeniden kaynatıcı ile ısıtma ve kolonun tepesinde yoğunlaştırılmış geri akış ile soğutma arasındaki bir denge, besleme karışımının fraksiyonlanması için iyi koşullar sağlamak üzere kolonun yüksekliği boyunca bir sıcaklık gradyanını (veya kademeli sıcaklık farkını) korur. Kulenin ortasındaki geri akış akışlarına pompalama denir.

Geri akışın değiştirilmesi (besleme ve ürün çekmedeki değişikliklerle birlikte), çalışma sırasında sürekli bir damıtma kolonunun ayırma özelliklerini iyileştirmek için de kullanılabilir (plakaların veya tepsilerin eklenmesi veya ambalajın değiştirilmesinin aksine, minimum, oldukça önemli kesinti süresi gerektirir).

tabaklar veya tepsiler

Resim 5: Balon kapaklı tepsileri olan bir ikili fraksiyonel damıtma kulesinin kesit diyagramı. ( Büyütülmüş tepsi görüntüsü için teorik plakaya bakın .)

Damıtma kuleleri (resim 3 ve 4'teki gibi) gerekli sayıda denge aşaması sağlamak için çeşitli buhar ve sıvı temas yöntemlerini kullanır . Bu tür cihazlar genellikle "plakalar" veya "tepsiler" olarak bilinir. Bu plakaların veya tepsilerin her biri farklı bir sıcaklık ve basınçtadır. Kule tabanındaki sahne en yüksek basınca ve sıcaklığa sahiptir. Kulede yukarıya doğru ilerledikçe, birbirini izleyen her aşama için basınç ve sıcaklık düşer. Buhar-sıvı denge kulesinde her yem bileşen için aşamaların her birinde farklı basınç ve sıcaklık koşulları için eşsiz bir şekilde reaksiyona girer. Bu, her bir bileşenin, aşamaların her birinde buhar ve sıvı fazlarında farklı bir konsantrasyon oluşturduğu anlamına gelir ve bu, bileşenlerin ayrılmasına neden olur. Bazı örnek tepsiler resim 5'te gösterilmiştir. Teorik tabak makalesinde iki tepsinin daha ayrıntılı, genişletilmiş bir resmi görülebilir . Yeniden kaynatıcı genellikle ek bir denge aşaması görevi görür.

Her bir fiziksel tepsi veya plaka %100 verimli olsaydı, belirli bir ayırma için gereken fiziksel tepsi sayısı, denge aşamalarının veya teorik plakaların sayısına eşit olurdu. Ancak, bu çok nadiren olur. Bu nedenle, bir damıtma kolonu, gerekli teorik buhar-sıvı denge aşaması sayısından daha fazla plakaya ihtiyaç duyar.

Paketleme

Bir damıtma kolonunda ayırmayı iyileştirmenin bir başka yolu , tepsiler yerine bir paketleme malzemesi kullanmaktır. Bunlar, kolon boyunca daha düşük bir basınç düşüşü avantajı sunar ( plakalar veya tepsilerle karşılaştırıldığında ), vakum altında çalışırken faydalıdır. Bir damıtma kulesi tepsiler yerine paketleme kullanıyorsa, önce gerekli teorik denge aşamalarının sayısı belirlenir ve ardından teorik bir plakaya eşdeğer yükseklik (HETP) olarak bilinen teorik bir denge aşamasına eşdeğer paketleme yüksekliği de belirlenir. Gerekli toplam paketleme yüksekliği, HETP ile çarpılan teorik aşama sayısıdır.

Bu ambalaj malzemesi Raschig halkaları veya yapılandırılmış sac gibi rastgele dökülen ambalajlar olabilir . Sıvılar, ambalajın yüzeyini ıslatma eğilimindedir ve buharlar, kütle transferinin gerçekleştiği bu ıslak yüzeyden geçer . Her tepsinin ayrı bir buhar-sıvı dengesi noktasını temsil ettiği geleneksel tepsi damıtmanın aksine, dolgulu bir kolondaki buhar-sıvı denge eğrisi süreklidir. Bununla birlikte, dolgulu kolonları modellerken, dolgulu kolonun daha geleneksel tepsilere göre ayırma verimliliğini belirtmek için bir dizi teorik plakayı hesaplamak yararlıdır. Farklı şekillerdeki salmastralar, farklı yüzey alanlarına ve salmastralar arasında boşluklara sahiptir. Bu faktörlerin her ikisi de paketleme performansını etkiler.

Rastgele veya yapılandırılmış paketlemenin performansını etkileyen paketleme şekli ve yüzey alanına ek olarak bir diğer faktör , paket yatağına giren sıvı ve buhar dağılımıdır. Belirli bir ayırma yapmak için gereken teorik aşamaların sayısı, belirli bir buhar/sıvı oranı kullanılarak hesaplanır. Sıvı ve buhar, dolgulu yatağa girerken yüzeysel kule alanı boyunca eşit olarak dağılmazsa, sıvı/buhar oranı dolgulu yatakta doğru olmayacak ve gerekli ayırma sağlanamayacaktır. Ambalaj düzgün çalışmıyor gibi görünecektir. Teorik plakaya yüksekliği eşdeğer (HETP) beklenenden daha büyük olacaktır. Sorun, ambalajın kendisi değil, paketlenmiş yatağa giren sıvıların yanlış dağılımıdır. Sıvı kötü dağılımı, buhardan daha sık problemdir. Besleme ve geri akışın paketlenmiş bir yatağa verilmesi için kullanılan sıvı dağıtıcıların tasarımı, paketlemenin maksimum verimlilikte çalışmasını sağlamak için kritik öneme sahiptir. Bir sıvı dağıtıcının etkinliğini değerlendirme yöntemleri referanslarda bulunabilir.

Havai sistem düzenlemeleri

Şekil 4 ve 5, su veya hava soğutması kullanılarak tamamen sıvı bir ürüne yoğunlaştırılan bir üst akımı varsaymaktadır. Bununla birlikte, birçok durumda, kulenin üst kısmı kolayca tamamen yoğunlaşmaz ve geri akış tamburunun bir havalandırma gazı çıkış akımı içermesi gerekir . Yine başka durumlarda, besleme akımı bir miktar su içerdiğinden veya damıtma kulesine bir miktar buhar enjekte edildiğinden ( petrol rafinerilerindeki ham petrol damıtma kulelerinde olduğu gibi ) üst akım su buharı da içerebilir . Bu durumlarda, damıtılmış ürün suda çözünmez ise, geri akış tamburu, yoğunlaştırılmış bir sıvı damıtık fazı, bir yoğunlaştırılmış su fazı ve bir yoğunlaşmayan gaz fazı içerebilir, bu da geri akış tamburunun ayrıca bir su çıkış akımına sahip olmasını gerekli kılar. .

Çok bileşenli damıtma

Esas olarak ham petrolün rafine edilmesi için kullanılan fraksiyonel damıtmanın yanı sıra, çok bileşenli karışımlar genellikle tek bileşenlerini bir dizi damıtma kolonu, yani damıtma dizisi aracılığıyla saflaştırmak için işlenir.

Damıtma treni

Bir damıtma dizisi, amacı çok bileşenli karışımların saflaştırılması olan seri veya paralel olarak düzenlenmiş bir dizi damıtma sütunu ile tanımlanır.

Süreç yoğunlaştırıcı alternatifler

Bölme duvarlı sütunun birimi damıtma ile ilişkili en yaygın işlem güçlendiren bir birimdir. Özellikle, termodinamik olarak eşdeğer olduğu kanıtlanan Petlyuk konfigürasyonunun tek sütun kabuğundaki düzenlemedir.

Örnekler

Ham petrolün sürekli damıtılması

Petrol ham petrolleri yüzlerce farklı hidrokarbon bileşiği içerir: parafinler , naftenler ve aromatiklerin yanı sıra organik kükürt bileşikleri , organik azot bileşikleri ve fenoller gibi bazı oksijen içeren hidrokarbonlar . Ham yağlar genellikle olefin içermemesine rağmen , bir petrol rafinerisinde kullanılan proseslerin çoğunda oluşurlar.

Ham yağ fraksiyonlama , tek bir kaynama noktasına sahip olan ürünler üretmez; bunun yerine, kaynama aralığına sahip fraksiyonlar üretir. Örneğin, ham petrol fraksiyonlama "olarak adlandırılan bir üst kısmını üreten nafta ayrıca katalitik aracılığıyla işleme tabi sonra benzin parçası haline gelir" Hidrodesülfürizer kaldırmak için kükürt ve katalitik iyileştirici için ıslah olarak hidrokarbon moleküllerini daha yüksek olan daha karmaşık bir moleküller halinde oktan değer.

Bu fraksiyon olarak adlandırılan nafta kesimi, birçok farklı hidrokarbon bileşiği içerir. Bu nedenle, yaklaşık 35 °C'lik bir başlangıç ​​kaynama noktasına ve yaklaşık 200 °C'lik bir son kaynama noktasına sahiptir. Fraksiyonlama kolonlarında üretilen her kesim farklı bir kaynama aralığına sahiptir. Üst kısmın bir miktar altında, bir sonraki kesim kolonun yanından çekilir ve genellikle kerosen kesimi olarak da bilinen jet yakıtı kesimidir . Bu kesimin kaynama aralığı, yaklaşık 150 °C'lik bir ilk kaynama noktasından yaklaşık 270 °C'lik bir son kaynama noktasına kadardır ve ayrıca birçok farklı hidrokarbon içerir. Kulenin aşağısındaki bir sonraki kesim , yaklaşık 180 °C ila yaklaşık 315 °C arasında bir kaynama aralığıyla kesilen dizel yağıdır . Herhangi bir kesim ile bir sonraki kesim arasındaki kaynama aralıkları örtüşür çünkü damıtma ayrımları tam olarak keskin değildir. Bunları takiben ağır akaryakıt kesimleri ve son olarak da çok geniş kaynama aralıklarına sahip dip ürünler gelmektedir. Tüm bu kesimler, sonraki arıtma işlemlerinde daha fazla işlenir.

Kenevir konsantrelerinin sürekli damıtılması

Esrar konsantrelerinin damıtılması için tipik bir uygulama , bütan karma yağıdır (BHO). Kısa yol damıtma, konsantreye minimum termal strese izin veren kısa kalma süresi nedeniyle popüler bir yöntemdir . Sirkülasyon, düşen film ve kolon distilasyonu gibi diğer distilasyon yöntemlerinde , konsantrat, uygulanması gereken uzun bekleme süreleri ve yüksek sıcaklıklardan zarar görebilir.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar