Operații unitare de transfer de masă - dimensionarea unei coloane de rectificare

1.Introducere

În lucrarea de față s-a urmărit dimensionarea unei coloane de rectificare cu talere tip sită în scopul separării amestecului binar IPA-Apă, care face parte dintr-o instalație pentru obținerea acetonei, printr-o metodă de dehidrogenarea a alcoolului izopropilic.. Acetona se obține în fază de vapori într-un reactor de tip CSTR. Vaporii sunt apoi introduși într-un separator bifazic, urmând ca acetona rămasă în faza de vapori să fie recuperată într-o coloană de absorbție, iar debitul obținut este amestecat cu faza lichidă de acetonă, apă și izopropanol din separatorul de faze.

Instalația este alcătuită din două coloane de rectificare, în prima se separă amestecul ternar acetonă-IPA-apă. Această coloană este proiectată pentru a obține în distilat produsul de bază al înstalației tehnologice, urmând ca în a doua coloană să se introducă reziduul de izopopanol și apă. Acest amestec binar este introdus în coloană care are rolul de a separa izopropanolul de apă. Izopopanolul rezultat va fi recirculat cu debitul inițial de reactanți introduși în instalație, în scopul reducerii pierderii majore de materie primă.

Coloana de rectificare binară este alimentată cu un debit de 150kmol/h amestec ternar.

Amestecul ternar de acetonă-IPA-apă, având fracțiile molare de 0.22 acetonă, 0.34 izopropanol 0.44 apă, intră în coloană la presiunea de 0.95 bar. Coloana de rectificare a amestecului binar(rezultat din prima coloană) funcționează la presiunea de 1 bar acesta fiind introdus la temperatura de fierbere. Cerințele tehnologice impuse sunt gradele de separare ale componenților ușor și greu volatili în reziduu și distilat.

Figura 1. Schema celor 2 coloane de rectificare

ABC

A

BC

BC

C

1

2

3

Datele de proiectare cunoscute sunt:

Debitul de alimentare al coloanei 1: F1=150 kmol/h

Compoziția amestecului de alimentare al coloanei ternare:

- A:0,23

- B:0,34

- C:0,43

Starea termică a alimentării, q=1, pentru ambele coloane.

Presiunile de operare prima coloană

- pF=0.92 bar, pD=0.9 bar, pW=0.94 bar.

Presiunile de operare a doua coloană

- pF=1 bar, pD=1 bar, pW=1 bar.

Tipul coloanei: coloană cu talere de tip sită (coloana 2)

Performanțele separării, pentru coloana 1 impuse:

Gradul de recuperare al acetonei în distilat:

- s 1, D, A=0.99

Gradul de recuperare al IPA în distilat:

- s 1, W ,B=0.99

Performanțele separării, pentru coloana 2 impuse:

Gradul de recuperare al IPA în distilat:

- s 2 D, B=0.98

Gradul de recuperare al apei în distilat:

- s 2 W, C=0.99

2. Dimensionarea la echilibru

Această etapă presupune dimensionarea elementelor componente ale coloanei considerând procesele de transfer de masă din coloană și comportarea amestecului de separat sunt ideale. În cazul transferului de masă la contactarea între faza de vapori și cea lichidă, comportarea ideală presupune atingerea echilibrului termodinamic, pe fiecare taler al coloanei.

Dimensionarea la echilibru presupune întocmirea bilanțurilor de materiale, precum și determinarea numărului de talere teoretice necesar separării amestecului.