Destylacja ciągła - Continuous distillation
Destylacja ciągła , forma destylacji , jest ciągłym oddzielaniem, w którym mieszanina jest w sposób ciągły (bez przerw) podawana do procesu, a oddzielone frakcje są usuwane w sposób ciągły jako strumienie wyjściowe. Destylacja to rozdzielanie lub częściowe rozdzielanie ciekłej mieszaniny zasilającej na składniki lub frakcje poprzez selektywne gotowanie (lub odparowanie ) i kondensację . W procesie powstają co najmniej dwie frakcje wyjściowe. Frakcje te obejmują co najmniej jedną lotną frakcję destylatu, która zagotowała się i została oddzielnie wychwycona jako para skroplona do cieczy i praktycznie zawsze frakcja dna (lub pozostałości ), która jest najmniej lotną pozostałością, która nie została oddzielnie wychwycona jako skondensowana para.
Alternatywą dla destylacji ciągłej jest destylacja okresowa , w której mieszanina jest dodawana do jednostki na początku destylacji, frakcje destylacyjne są usuwane sekwencyjnie w czasie (jedna po drugiej) podczas destylacji, a pozostała frakcja destylacji jest usuwana na koniec. Ponieważ każda z frakcji destylatu jest pobierana w różnym czasie, do destylacji wsadowej potrzebny jest tylko jeden punkt wyjścia destylatu (lokalizacja), a destylat można po prostu przełączyć do innego odbiornika, pojemnika zbiorczego. Destylacja okresowa jest często stosowana, gdy destylowane są mniejsze ilości. W destylacji ciągłej każdy ze strumieni frakcji jest pobierany jednocześnie podczas całej operacji; dlatego dla każdej frakcji potrzebny jest oddzielny punkt wyjścia. W praktyce, gdy istnieje wiele frakcji destylatu, punkty wyjścia destylatu znajdują się na różnych wysokościach na kolumnie frakcjonującej . Frakcja denna może być pobierana z dna kolumny lub jednostki destylacyjnej, ale często jest pobierana z reboilera połączonego z dnem kolumny.
Każda frakcja może zawierać jeden lub więcej składników (rodzaje związków chemicznych ). Podczas destylacji ropy naftowej lub podobnego surowca każda frakcja zawiera wiele składników o podobnej lotności i innych właściwościach. Chociaż możliwe jest prowadzenie ciągłej destylacji na małą skalę lub w laboratorium, najczęściej destylację ciągłą stosuje się w procesie przemysłowym na dużą skalę.
Aplikacja na skalę przemysłową
Destylacja jest jedną z operacji jednostkowych w inżynierii chemicznej . Destylacja ciągła jest szeroko stosowana w przemyśle chemicznym, gdzie trzeba destylować duże ilości cieczy. Takie branże to przetwarzanie gazu ziemnego , produkcja petrochemiczna , przetwarzanie smoły węglowej , produkcja alkoholu , separacja skroplonego powietrza , produkcja rozpuszczalników węglowodorowych , separacja kannabinoidów i podobne branże, ale najszersze zastosowanie znajduje w rafineriach ropy naftowej . W takich rafineriach surowiec naftowy jest bardzo złożoną wieloskładnikową mieszaniną, którą należy rozdzielić i nie oczekuje się uzysków czystych związków chemicznych, a jedynie grup związków w stosunkowo niewielkim zakresie temperatur wrzenia , które nazywamy frakcjami . Z tych frakcji pochodzi termin destylacja frakcyjna lub frakcjonowanie . Często nie jest opłacalne dalsze rozdzielanie składników w tych frakcjach w oparciu o wymagania produktu i ekonomikę.
Destylacja przemysłowa jest zwykle przeprowadzana w dużych, pionowych cylindrycznych kolumnach (jak pokazano na rysunkach 1 i 2), znanych jako „wieże destylacyjne” lub „kolumny destylacyjne” o średnicach od około 65 centymetrów do 11 metrów i wysokościach od około 6 metrów do 60 metrów lub więcej.
Zasada
Zasada ciągłej destylacji jest taka sama jak w przypadku normalnej destylacji: gdy ciekła mieszanina jest podgrzewana do wrzenia, skład pary nad cieczą różni się od składu cieczy. Jeśli ta para zostanie następnie oddzielona i skondensowana w ciecz, staje się bogatsza w składnik(i) o niższej temperaturze wrzenia oryginalnej mieszaniny.
Tak dzieje się w kolumnie do ciągłej destylacji. Mieszanina jest podgrzewana i kierowana do kolumny destylacyjnej. Po wejściu do kolumny wsad zaczyna spływać, ale jego część, składnik(i) o niższej temperaturze wrzenia, paruje i unosi się. Jednak gdy się unosi, ochładza się i podczas gdy część unosi się w postaci pary, część (wzbogacona w mniej lotny składnik) zaczyna ponownie opadać.
Zdjęcie 3 przedstawia prostą ciągłą wieżę do destylacji frakcyjnej do rozdzielania strumienia zasilającego na dwie frakcje, produkt destylacji szczytowej i produkt denny. „Najlżejsze” produkty (te o najniższej temperaturze wrzenia lub najwyższej lotności) opuszczają szczyty kolumn, a produkty „najcięższe” (dna, te o najwyższej temperaturze wrzenia) opuszczają dno kolumny. Strumień szczytowy może ochładza się i skrapla przy użyciu chłodzonej wodą lub powietrzem chłodzony skraplacz . Do dna reboiler może być ogrzewany parą wodną lub gorącym oleju ogrzewa wymiennik ciepła , a także gazem lub olejem pieca .
W destylacji ciągłej system jest utrzymywany w stanie ustalonym lub przybliżonym stanie ustalonym. Stan ustalony oznacza, że wielkości związane z procesem nie zmieniają się wraz z upływem czasu podczas pracy. Takie stałe ilości obejmują szybkość wejściową, szybkości strumienia wyjściowego, szybkości ogrzewania i chłodzenia, współczynnik powrotu oraz temperatury , ciśnienia i składy w każdym punkcie (lokalizacji). O ile proces nie zostanie zakłócony z powodu zmian w zasilaniu, ogrzewaniu, temperaturze otoczenia lub kondensacji, stan ustalony jest zwykle utrzymywany. Jest to również główna atrakcja ciągłej destylacji, oprócz minimalnej ilości (łatwego do zinstrumentowania) nadzoru; jeśli szybkość i skład paszy są utrzymywane na stałym poziomie, szybkość i jakość produktu są również stałe. Nawet gdy występują zmiany warunków, nowoczesne metody sterowania procesem są zwykle w stanie stopniowo przywrócić proces ciągły do innego stanu ustalonego.
Ponieważ jednostka do ciągłej destylacji jest stale zasilana mieszaniną wsadową i nie jest napełniana od razu, jak w przypadku destylacji okresowej, jednostka do ciągłej destylacji nie potrzebuje dużego naczynia destylacyjnego, naczynia lub zbiornika do napełniania wsadowego. Zamiast tego mieszanina może być podawana bezpośrednio do kolumny, gdzie następuje właściwy rozdział. Wysokość punktu zasilania wzdłuż kolumny może się różnić w zależności od sytuacji i jest zaprojektowana tak, aby zapewnić optymalne wyniki. Zobacz Metoda McCabe-Thiele .
Destylacja ciągła jest często destylacją frakcyjną i może być destylacją próżniową lub destylacją z parą wodną .
Projekt i działanie
Konstrukcja i działanie kolumny destylacyjnej zależy od wsadu i pożądanych produktów. Biorąc pod uwagę prosty, dwuskładnikowy dopływ składników, do projektowania można wykorzystać metody analityczne, takie jak metoda McCabe-Thiele lub równanie Fenske . W przypadku wsadu wieloskładnikowego, komputerowe modele symulacyjne są wykorzystywane zarówno do projektowania, jak i późniejszej eksploatacji kolumny. Modelowanie jest również wykorzystywane do optymalizacji już wzniesionych kolumn do destylacji mieszanin innych niż te, do których pierwotnie zaprojektowano sprzęt do destylacji.
Gdy działa kolumna do ciągłej destylacji, musi być ściśle monitorowana pod kątem zmian składu surowca, temperatury roboczej i składu produktu. Wiele z tych zadań jest wykonywanych przy użyciu zaawansowanego sprzętu komputerowego.
Podawanie kolumny
Kolumnę można zasilać na różne sposoby. Jeżeli surowiec pochodzi ze źródła o ciśnieniu wyższym niż ciśnienie w kolumnie destylacyjnej, jest po prostu przesyłany do kolumny. W przeciwnym razie pasza jest pompowana lub sprężana do kolumny. Wsad może być przegrzana para , A para nasycona , częściowo odparowuje mieszaniny ciecz-para, A nasycony cieczą (np, ciekły w temperaturze wrzenia przy ciśnieniu słupa) lub dochłodzony ciekły . Jeśli wsad jest cieczą o znacznie wyższym ciśnieniu niż ciśnienie w kolumnie i przepływa przez zawór obniżający ciśnienie tuż przed kolumną, natychmiast rozszerzy się i ulegnie częściowemu odparowaniu błyskawicznemu, co skutkuje mieszaniną ciecz-para, gdy wchodzi kolumna destylacyjna.
Poprawa separacji
Chociaż jednostki o małych rozmiarach, w większości wykonane ze szkła, mogą być używane w laboratoriach, jednostki przemysłowe to duże, pionowe, stalowe zbiorniki (patrz ilustracje 1 i 2), znane jako „wieże destylacyjne” lub „kolumny destylacyjne”. Aby poprawić separację, wieża jest zwykle wyposażona w poziome płyty lub tace, jak pokazano na rysunku 5, lub kolumna jest wypełniona materiałem wypełniającym. Aby zapewnić ciepło wymagane do odparowania związanego z destylacją, a także zrekompensować straty ciepła, ciepło jest najczęściej dodawane do dna kolumny przez reboiler , a czystość górnego produktu można poprawić, zawracając część z zewnątrz skroplona górna ciecz produktu jako orosienie . W zależności od przeznaczenia kolumny destylacyjne mogą mieć wyloty cieczy w odstępach wzdłuż długości kolumny, jak pokazano na rysunku 4.
Odpływ
Przemysłowe wieże frakcjonujące na dużą skalę wykorzystują refluks w celu uzyskania bardziej wydajnego oddzielania produktów. Refluks odnosi się do części skondensowanego górnego produktu ciekłego z wieży destylacyjnej, która jest zawracana do górnej części wieży, jak pokazano na rysunkach 3 i 4. Wewnątrz wieży spływająca w dół ciecz powrotna zapewnia chłodzenie i częściową kondensację płynących w górę par , zwiększając w ten sposób skuteczność wieży destylacyjnej. Im więcej zapewniono powrotu, tym lepsze jest oddzielenie w wieży składników o niższej temperaturze wrzenia od składników o wyższej temperaturze wrzenia wsadu. Równowaga ogrzewania z reboilerem na dole kolumny i chłodzenia przez skroplony orosienie na górze kolumny utrzymuje gradient temperatury (lub stopniową różnicę temperatur) wzdłuż wysokości kolumny, aby zapewnić dobre warunki do frakcjonowania mieszaniny zasilającej. Refluks na środku wieży to tzw. pumparounds.
Zmiana refluksu (w połączeniu ze zmianami w zasilaniu i wycofaniu produktu) może być również wykorzystana do poprawy właściwości rozdzielania kolumny do ciągłej destylacji podczas pracy (w przeciwieństwie do dodawania płytek lub tac lub zmiany wypełnienia, co w przypadku minimalne, wymagają dość znacznego przestoju).
Talerze lub tace
Wieże destylacyjne (takie jak na zdjęciach 3 i 4) wykorzystują różne metody kontaktu z parą i cieczą, aby zapewnić wymaganą liczbę stopni równowagi . Takie urządzenia są powszechnie znane jako „talerze” lub „tace”. Każda z tych płyt lub tacek ma inną temperaturę i ciśnienie. Scena na dole wieży ma najwyższe ciśnienie i temperaturę. W miarę postępu w wieży ciśnienie i temperatura spadają z każdym kolejnym etapem. Para-ciecz równowagi dla każdego składnika paszy w wieży reaguje w szczególny sposób do różnych warunkach ciśnienia i temperatury w każdym z etapów. Oznacza to, że każdy składnik ustala inne stężenie w fazie gazowej i ciekłej na każdym z etapów, co skutkuje rozdzieleniem składników. Niektóre przykładowe tacki przedstawiono na rysunku 5. Bardziej szczegółowy, rozszerzony obraz dwóch tacek można zobaczyć w artykule z płytami teoretycznymi . Reboiler często działa jako dodatkowy stopień równowagi.
Gdyby każda fizyczna tacka lub płytka była w 100% sprawna, wtedy liczba fizycznych tac potrzebnych do danego rozdziału byłaby równa liczbie stopni równowagi lub półek teoretycznych. Jednak zdarza się to bardzo rzadko. W związku z tym kolumna destylacyjna wymaga więcej płyt niż wymagana liczba teoretycznych stopni równowagi para-ciecz.
Uszczelka
Innym sposobem poprawy rozdziału w kolumnie destylacyjnej jest zastosowanie materiału wypełniającego zamiast półek. Oferują one korzyść polegającą na niższym spadku ciśnienia w kolumnie (w porównaniu z płytami lub tacami ), co jest korzystne podczas pracy w próżni. Jeżeli wieża destylacyjna wykorzystuje wypełnienie zamiast półek, najpierw określa się liczbę niezbędnych teoretycznych stopni równowagi, a następnie określa się wysokość upakowania równoważną teoretycznemu stopniowi równowagi , znanym jako równoważnik wysokości teoretycznej półki (HETP). Całkowita wymagana wysokość pakowania to liczba teoretycznych stopni pomnożona przez HETP.
Ten materiał opakowaniowy może być uszczelką losowo dumpingową, taką jak pierścienie Raschiga lub blacha strukturalna . Ciecze mają tendencję do zwilżania powierzchni wypełnienia, a opary przechodzą przez tę zwilżoną powierzchnię, gdzie zachodzi przenoszenie masy . W przeciwieństwie do konwencjonalnej destylacji półkowej, w której każda półka reprezentuje oddzielny punkt równowagi para-ciecz, krzywa równowagi para-ciecz w kolumnie z wypełnieniem jest ciągła. Jednak podczas modelowania kolumn z wypełnieniem przydatne jest obliczenie liczby półek teoretycznych w celu określenia wydajności separacji kolumny z wypełnieniem w odniesieniu do bardziej tradycyjnych półek. Opakowania o różnych kształtach mają różne pola powierzchni i pustą przestrzeń między opakowaniami. Oba te czynniki wpływają na wydajność pakowania.
Innym czynnikiem, oprócz kształtu i pola powierzchni wypełnienia, który wpływa na działanie wypełnienia losowego lub strukturalnego, jest dystrybucja cieczy i pary wchodzących do złoża wypełnienia. Liczba etapów teoretycznych wymaganych do wykonania danego rozdziału jest obliczana przy użyciu określonego stosunku pary do cieczy. Jeżeli ciecz i para nie są równomiernie rozłożone w powierzchniowej powierzchni wieży, gdy wchodzą do złoża wypełnienia, stosunek cieczy do pary nie będzie prawidłowy w złożu wypełnienia i wymagany rozdział nie zostanie osiągnięty. Wygląda na to, że opakowanie nie działa prawidłowo. Wysokość równoważne półki teoretycznej (HETP) będzie większa niż oczekiwano. Problemem nie jest samo wypełnienie, ale niewłaściwa dystrybucja płynów wchodzących do złoża wypełnienia. Problemem częściej niż para jest błędna dystrybucja cieczy. Konstrukcja dystrybutorów cieczy stosowanych do wprowadzania wsadu i powrotu do wypełnionego złoża ma kluczowe znaczenie dla uzyskania maksymalnej wydajności wypełnienia. Metody oceny skuteczności dystrybutora cieczy można znaleźć w referencjach.
Układy systemów napowietrznych
Obrazy 4 i 5 zakładają strumień górny, który jest całkowicie skondensowany w ciekły produkt przy użyciu wody lub chłodzenia powietrzem. Jednakże, w wielu przypadkach, na górze wieża nie jest łatwo i całkowicie skraplana refluksu bęben musi zawierać wylot gazowego strumienia wylotowego. W jeszcze innych przypadkach strumień szczytowy może również zawierać parę wodną, ponieważ albo strumień zasilający zawiera trochę wody, albo trochę pary jest wtryskiwane do wieży destylacyjnej (co ma miejsce w wieżach destylacyjnych ropy naftowej w rafineriach ropy naftowej ). W tych przypadkach, jeśli produkt destylacji jest nierozpuszczalny w wodzie, bęben zwrotny może zawierać skondensowaną fazę ciekłego destylatu, skondensowaną fazę wodną i nieskraplającą się fazę gazową, co sprawia, że konieczne jest, aby bęben zwrotny miał również strumień wylotowy wody .
Destylacja wieloskładnikowa
Oprócz destylacji frakcyjnej, stosowanej głównie do rafinacji ropy naftowej, mieszaniny wieloskładnikowe są zwykle przetwarzane w celu oczyszczenia pojedynczych składników za pomocą szeregu kolumn destylacyjnych, czyli ciągu destylacyjnego.
Pociąg do destylacji
Ciąg destylacyjny jest określony przez sekwencję kolumn destylacyjnych ułożonych szeregowo lub równolegle, których celem jest oczyszczanie mieszanin wieloskładnikowych.
Alternatywy intensyfikujące proces
Jednostka Dividing Wall Column jest najczęstszą jednostką intensyfikującą proces destylacji. W szczególności okazało się, że termodynamicznie równoważny jest układ w pojedynczej powłoce kolumny o konfiguracji Petluka.
Przykłady
Ciągła destylacja ropy naftowej
Ropa naftowa zawiera setki różnych związków węglowodorowych : parafiny , nafteny i aromaty, a także organiczne związki siarki , organiczne związki azotu i niektóre węglowodory zawierające tlen, takie jak fenole . Chociaż ropa naftowa generalnie nie zawiera olefin , to powstają one w wielu procesach stosowanych w rafinerii ropy naftowej.
Surowego oleju z frakcjonowania nie wytwarzają produkty o jeden punkt wrzenia; raczej wytwarza frakcje mające zakresy wrzenia. Na przykład, frakcjonator ropy naftowej wytwarza frakcję szczytową zwaną „ naftą ”, która staje się składnikiem benzyny po dalszym przetworzeniu w katalitycznym hydroodsiarczaniu w celu usunięcia siarki i reformerze katalitycznym w celu przekształcenia cząsteczek węglowodorów w bardziej złożone cząsteczki o wyższej liczbie oktanowej wartość.
Kawałek benzyny, jak nazywa się tę frakcję, zawiera wiele różnych związków węglowodorowych. Dlatego ma początkową temperaturę wrzenia około 35 °C i końcową temperaturę wrzenia około 200 °C. Każdy kawałek wyprodukowany w kolumnach frakcjonujących ma inny zakres wrzenia. W pewnej odległości poniżej sufitu, z boku kolumny cofa się następne cięcie i zwykle jest to cięcie paliwa odrzutowego, znane również jako cięcie nafty . Zakres wrzenia tego kawałka wynosi od początkowej temperatury wrzenia około 150 °C do końcowej temperatury wrzenia około 270 °C, a także zawiera wiele różnych węglowodorów. Kolejnym cięciem w dalszej części wieży jest olej napędowy o temperaturze wrzenia od około 180 °C do około 315°C. Zakresy wrzenia pomiędzy dowolnym cięciem a następnym cięciem nakładają się, ponieważ rozdzielenie destylacji nie jest idealnie ostre. Po nich przychodzą ciężkie kawałki oleju opałowego, a na końcu produkt denny o bardzo szerokim zakresie wrzenia. Wszystkie te kawałki są dalej przetwarzane w kolejnych procesach rafinacji.
Ciągła destylacja koncentratów z konopi
Typowym zastosowaniem do destylacji koncentratów z konopi jest olej butanowy (BHO). Destylacja krótkościeżkowa jest popularną metodą ze względu na krótki czas przebywania, który pozwala na minimalne naprężenie termiczne koncentratu. W innych metodach destylacji , takich jak cyrkulacja, opadająca warstwa i destylacja kolumnowa, koncentrat byłby uszkodzony z powodu długiego czasu przebywania i wysokich temperatur, które muszą być zastosowane.
Zobacz też
- Destylacja azeotropowa
- Destylacja ekstrakcyjna
- Destylacja frakcyjna
- Kolumna frakcjonująca
- Destylacja parowa
- Destylacja na krótkiej ścieżce
Bibliografia
Linki zewnętrzne
- Teoria destylacji autorstwa Ivara J. Halvorsena i Sigurda Skogestada, Norweski Uniwersytet Nauki i Technologii, Norwegia
- Destylacja przez Grupę Destylacyjną, USA
- Notatki z wykładu na temat destylacji prof. Randalla M. Price'a z Christian Brothers University
- Destylacja ropy naftowej Wayne Pafco
- Oprogramowanie do symulacji destylacji