Ykskköoperaatot ja teollset prosesst 1 Ylestä... 2 2 Faasen välnen tasapano... 3 2.1 Neste/höyry-tasapano... 4 2.1.1 Puhtaan komponentn höyrynpane... 4 2.1.2 Ideaalnen seos... 5 2.1.3 Epädeaalnen nestefaas... 5 2.1.4 Tlanyhtälöt... 6 2.1.5 Kaasu vs. höyry... 7 2.1.6 Höyryn ja nesteen ptosuudet erotustekjän avulla... 7 2.2 Neste/neste-tasapano... 9 2.2.1 Uuton vpusääntö... 11 2.3 Neste/knteä-tasapano... 12 3 Ideaalaskelten lukumäärän määrttämnen... 13 3.1 Johdanto... 13 3.2 Käyttövva... 15 3.3 Ideaalaskel... 16 3.4 Ideaalaskeleden lukumäärän laskemnen McCabe-Thele menetelmällä... 17 4 Erotusprosesst... 17 4.1 Tslaus... 18 4.1.1 Tslauskolonnn rakenne... 18 4.1.2 Tslamen taseet... 19 4.1.3 Yhden deaalaskeleen tomnnan ratkasemnen taseden avulla... 20 4.1.4 Ideaalaskeleden lukumäärän graafnen ratkasu... 21 4.1.5 Käyttövvojen määrttämnen... 22 4.2 Hahdutus... 24 4.2.1 Monvahehahduttamot... 25 4.3 Absorpto... 26 4.4 Uutto... 27 4.5 Luotus ja pesu... 29 4.6 Adsorpto... 31 4.7 Ionnvahto ja kromatografa... 33 4.8 Kteytys... 34 4.9 Saostus... 35 4.10 Henonnus... 35 4.11 Neste-knteäerotus... 38 4.12 Kalvoteknkka... 39 4.13 Vaahdotus... 40 5 Erotusprosessen mekanstnen malltus... 41 5.1 Mekanstsen malltuksen perusteet: taseet, tasapanot ja nopeusyhtälöt... 41 5.1.1 Malln yhtälöt... 41 5.1.2 Malln kehtys... 41 5.1.3 Mallen parametrsont ja spesfont... 42 5.1.4 Malln ratkasu... 42 5.1.5 Testaus, valdont ja malln edelleen kehtys... 42 5.1.6 Esmerkk: aneensrtoon perustuvan erotusaskeleen mall... 43 5.1.7 Esmerkk: tslauskolonnn deaalaskelmall smulaattorssa... 44 5.2 Srtokerronten korrelaatot... 45 1
5.2.1 Esmerkk aneensrtokorrelaatosta erotusprosessen malltuksessa... 46 6 Prosesskehtys ja -syntees... 47 6.1 Prosesskehtys... 47 6.2 Prosesssyntees... 48 6.3 Herarkknen lähestymstapa prosesssynteesn... 49 7 Prosesssuunnttelu... 52 7.1 Essuunnttelu ja toteutettavuustarkastelu... 53 7.1.1 Essuunnttelun ssältö... 53 7.1.2 Valmstuskapasteetn valnta... 54 7.1.3 Toteutettavuustarkastelu... 54 7.2 Reaktorn valnta... 55 7.3 Erotusmenetelmen valnta... 56 7.3.1 Aneomnasuuksen vakutus erotusmenetelmän valntaan... 57 7.3.2 Prosessn luonne... 57 7.3.3 Talouskysymykset ja menetelmen kypsyys... 58 7.3.4 Erotusjärjestyksen valnnasta... 58 7.4 Sälöden mtotus... 59 7.5 Käyttöhyödykejärjestelmstä... 59 8 Prosesssuunnttelun dokumentt... 60 8.1 Suunntteluperusteet... 60 8.2 Kaavot... 60 8.2.1 Lohkokaavo... 60 8.2.2 Vrtauskaavo... 60 8.2.3 Putksto ja nstrumentontkaavo (PI kaavo)... 61 8.2.4 Muut kaavot... 62 9 Symbolt... 63 1 Ylestä Erotusprosesst perustuvat usemmten seoksen jakamseen kahteen faasn, jolla on erlanen koostumus. Tyypllsä erotusprosesseja ovat mm. tslaus, absorpto ja hahdutus, jossa herkemmn hahtuvat komponentt rkastuvat höyryfaasn ja vähemmän ta e lankaan hahtuvat nestefaasn. Uutossa käytetään kahta tosnsa lukenematonta nestefaasa, esmerkks orgaansta luotnta ja vettä. Jotkut komponentt lukenevat meluummn orgaanseen faasn ja toset taas vesfaasn. Tätä lukosuuseroa vodaan käyttää komponentten erottamseen. Kteytyksessä nukkalukosemmat komponentt kteytyvät helpommn seosta väkevötäessä hahduttamalla ta lämpötlaa laskettaessa. Suodattamalla syntyneet kteet luoksesta saadaan komponentteja erotettua nden lukosuuden perusteella. Adsorptossa erotus tapahtuu sen perusteella, mten halukkata komponentt ovat tarttumaan adsorbenttmateraaln pnnalle. Vastaavaan fyskaalseen lmöön perustuu myös kromatografnen erotus. Erotusprosessen tomnnan laskemseks tarvtaan tetoa stä, mkä on faasen välnen koostumus tasapanossa ja mllä nopeudella stä lähestytään. Tlanne on jossan määrn samanlanen kun lämmönsrrossa, mutta lämpötlan kohdalla tasapano on trvaal; lämmönsrto on tasapanossa kun lämpötlat ovat kakkalla samat. Aneensrrossa tasapano on huomattavast monmutkasemp, ja se rppuu aneden ptosuukssta sekä paneesta ja lämpötlasta. Aneen- ja lämmönsrron nopeuksen arvont on sen sjaan usen hyvn samantyyppstä. Nopeus vodaan arvoda yhtälöstä, jossa on verrannollsuuskerron (aneen- ta lämmönsrtokerron), pnta-ala, jonka yl srto tapahtuu, sekä ajava voma joka on joko lämpötlaero ta pokkeama tasapanoptosuudesta. 2
Aneensrtoa vodaan kuvata samantyyppsellä yhtälöllä kun lämmönsrtoa: n& = k ADx (1.) mssä n& on komponentn srtyvä anemäärä [mol/s]. Tämä on aneensrron aheuttama term anetaseessa (ssään ta ulos faassta). Tämä vastaa energataseessa srtyvää lämpövrtaa (W) k on komponentn aneensrtokerron [mol/m 2 s]. Tämä saadaan vastaavsta korrelaatosta kun lämmönsrtokerron. A on ala, jonka läp ane srtyy, esmerkks faasen välnen pnta-ala [m 2 ] Dx on aneensrron ajava voma. Dx = x - K x I,b II,b (2.) mssä yländeks I ja II vttaavat kahteen tarkasteltavaan faasn, esmerkks höyry ja neste. Käytetyt ptosuudet tässä ovat bulkkfaasn ptosuuksa, el ptosuudet faasen rajapnnan lähellä olevan aneensrron rajakerroksen ulkopuolella. Seuraavaks tarkastellaan stä, mstä saadaan faastasapanoon lttyvä jakaantumskerron K. 2 Faasen välnen tasapano Faasen tasapano vodaan määrtellä usealla er tavalla. Tasapanossa koko systeemn Gbbsn energa on mnmssään. Tämä vodaan esttää myös sten, että faast ovat tostensa kanssa tasapanossa, kun jokasen komponentn kemallnen potentaal on yhtä suur kakssa faasessa. Keman teknkassa (teknllsessä termodynamkassa) faastasapano estetään usen kemallsten potentaalen sjasta fugasteetten avulla. Fugasteett on eräänlanen efektvnen osapane. Käytännössä nässä estystavossa kyse on van er koulukunnsta; koulukunnat evät vo melptellään vakuttaa shen mhn tasapanoon faast asettuvat joten tasapanon täytyy olla merkntätavasta rppumatta sama. Faasen ollessa tasapanossa nden ptosuudet ta määrät evät muutu ajan kuluessa. Kuten akasemmn todettn, faasen tasapano e edellytä ptosuuksen yhtäsuuruutta. Faastasapanoon lttyy kaks keskestä kästettä, jotka ovat hyödyllsä myös erlasa erotusmenetelmä arvotaessa. Ensmmänen on komponentn tasapanovako ta jakaantumskerron. Huom! tätä e tule sekottaa reakton tasapanovakoon. Faastasapanoon lttyvä jakaantumskerron on komponenttkohtanen, kun taas reakton tasapanovako on reaktokohtanen. Yhtestä nälle on se, että nden lukuarvoja vodaan arvoda termodynamkan ja mukana oleven komponentten omnasuuksen perusteella, ja nden avulla laskea tasapanotlassa olevan systeemn ptosuuksa. Faastasapanoon lttyvän jakaantumskertomen määrttely on x K = x I II (3.) Se kuvaa ss ptosuuksen (moolosuuksen) suhdetta kahdessa faasssa tasapanotlassa. Yleensä faas I on kevyemp, ja II on raskaamp, el esmerkks höyryn ja nesteen välsessä tasapanossa I ols höyry ja II neste. Kahden nestefaasn välsessä tasapanossa I ols penemmän theyden 3
omaava neste ja II theämp. Tlanne e kutenkaan ana ole nän suoravvanen, joten epäselvssä tlantessa on hyvä ana tarkastaa mten määrtelmä on tehty. Jakaantumskerron kuvaa stä, kunka herkäst tarkasteltava komponentt kertyy faasn I verrattuna faasn II. Esmerkks höyry-neste tasapanossa herkäst hahtuvalla komponentlla on suur jakaantumskerron (paljon suuremp kun yks), ja huonost hahtuvalla kerron on vastaavast ykköstä penemp. Kun tehtävä on arvoda tetyn erotusprosessn tomntaa jodenkn komponentten erottumsessa, on oleellsta vertalla näden komponentten suhteellsta jakaantumsta faasen välllä. Sllon pelkän jakaantumskertomen sjasta käytetään tarkasteltaven komponentten jakaantumskertomen suhdetta, el erotustekjää: a j K = K j (4.) Vakka jollakn komponentlla ols selväst ykkösestä pokkeava jakaantumskerron, sen erottamnen tosesta lähes saman jakaantumskertomen omaavasta komponentsta on vakeaa. Tällön kannattaa etsä jotan tosta erotusmenetelmää, vakkapa uuttoa tslauksen sjasta. Erotustekjä on helppo tapa analysoda tetyn erotusmenetelmän soveltuvuutta tarkasteltaven komponentten erotukseen. Jos erotustekjä on lähellä ykköstä, on erotus kysesellä menetelmällä vakeaa. Mtä enemmän se eroaa ykkösestä, stä helpompaa erotus faastasapanon näkökulmasta on. 2.1 Neste/höyry-tasapano Erotusprosesselle, jotka perustuvat tasapanoon nesteen ja höyryn välllä, vodaan aj, K ja Kj esttää höyrynpaneden ja aktvsuuskertomen avulla. Ideaalnen seos on sellanen, mssä tetyn kemallsen komponentn molekyylt vuorovakuttavat ertyyppsten molekyylen (er aneden) kanssa yhtä paljon kun muden tsensä kaltasten molekyylen kanssa. Esmerkks butaanmolekyyl kokee veressä olevan pentaanmolekyyln lähes samon kun tosen butaanmolekyyln koska ne ovat kemallsest hyvn samankaltasa. Sen sjaan esmerkks veden vuorovakutus pentaanmolekyyln kanssa on hyvn erlanen kun tosen vesmolekyyln, joten seos on hyvn epädeaalnen. Hyvn epädeaalset nesteseokset muodostavat usen kaks tosnsa lukenematonta nestefaasa. 2.1.1 Puhtaan komponentn höyrynpane Puhtaalle komponentlle höyrynpane tarkottaa stä panetta, jossa annetussa lämpötlassa muodostuu kaks faasa, höyry ja neste. Mkäl pane on suuremp kun höyrynpane, muodostuu anoastaan nestefaas ja mkäl penemp, anoastaan höyryfaas. Lämpötlan noustessa nousee myös höyrynpane. Höyrynpanekäyrää seurattaessa lämpötlan ja paneen noustessa höyryn ja nesteen omnasuudet lähestyvät tosaan; esmerkks höyryn theys kasvaa ja nesteen penenee. Kun lämpötlaa nostetaan rttäväst, ns. komponentn krttseen psteeseen, neste- ja höyryfaasen omnasuudet ovat samat. Tällön erllset höyry- ja nestefaast hävävät, ja muodostuu van yks ylkrttnen flud. Krttnen pste jossa tämä tapahtuu, el krttnen lämpötla T C ja krttnen pane p C ovat tärketä kemallsta komponentta kuvaava parametreja. Esmerkks vedelle T C = 647,096 K ja p C = 22,064 MPa. Krttsä suureta käytetään usessa aneomnasuuksen estmontmenetelmssä, ss mussakn kun pelkästään höyrynpaneeseen lttyvssä omnasuuksssa. Nätä arvoja on taulukotu erlasten prosesssmulaattoreden aneomnasuustetokantohn. 4
Nesteden höyrynpaneen p rppuvuutta lämpötlasta T vodaan kuvata mm. Antonen yhtälöllä ln p = A - B / (C + T). Tässä yhtälössä A, B ja C ovat anekohtasa parametreja. Yhtälö e ole ylesest dmensoltaan okea, koska okealla puolen on lämpötlan ykskkö ja vasemmalla puolen paneen logartm. Sks se on vomassa van tettyjä paneen ja lämpötlojen ykskötä käytettäessä. Tämän kaltaset yhtälöt tuls esttää laadutettuna suureyhtälönä, jossa okeat dmensot on jo yhtälössä näkyvssä. Esmerkks veden höyrynpaneen kuvaamseen lämpötlavälllä 284 K 441 K soveltuu seuraava lauseke p 3816,44 ln = 18,3036- mmhg T / K - 46,13 Tähän yhtälöön sjotetaan lämpötlan lukuarvo ja dmenso (ja tehdään tarvttaessa laatumuunnokset) ja tuloksena saadaan myös pane okeassa ykskössä automaattsest. Valtettavast krjallsuudessa dmensot on usen jätetty esttämättä ja ne ptää selvttää asayhteydestä. 2.1.2 Ideaalnen seos Jos seos on deaalnen, komponentn osapane höyryssä on p = py = x p 0 (5.) mssä x ja y ovat :n moolosuuksa nesteessä ja höyryssä p on kokonaspane p 0 on puhtaan komponentn höyrynpane ko. lämpötlassa. Ideaalslle seokslle saadaan jakaantumskertomelle ja erotustekjälle (jota höyry-neste tasapanoa kuvattaessa kutsutaan suhteellseks hahtuvuudeks) seuraavat yhtälöt: K y = x = p 0 p (6.) a j p = p 0 0 j (7.) Tämän mukaan erotustekjä rppuu van puhtaden komponentten höyrynpanesta. Mkäl komponentten höyrynpaneet eroavat tosstaan merkttäväst, nn erotustekjäkn pokkeaa ykkösestä. Koska höyrynpane on komponentsta rppumatta melko samankaltasest lämpötlan funkto, vodaan edellä estetty tulkta myös sten, että erotustekjä pokkeaa ykkösestä jos komponentten kehumspsteet ovat rttäväst tosstaan pokkeava. Erotustekjää a j kutsutaankn höyry-neste prosessessa ylesest suhteellseks hahtuvuudeks. 2.1.3 Epädeaalnen nestefaas Ideaalslla luokslla erotustekjä e rpu paneesta ta ptosuukssta ja yleensä van vähäsessä määrn lämpötlasta. Käytännössä useat seokset ovat kutenkn epädeaalsa, etenkn nestefaasssa komponentten vuorovakutukset vovat olla monmutkasa. Tällön epädeaalsuus on huomotava jollan tavon, jotta erotusprosesseja vodaan suunntella oken. Epädeaalsuus vodaan huomoda 5
nestefaasn aktvsuuskertomen g avulla. Aktvsuuskerron on ss komponenttkohtanen korjauskerron. Se rppuu merkttäväst seoksen musta komponentesta ja lämpötlasta, mutta e juurkaan paneesta. Komponentn osapane höyryssä on sllon p = py = x g p 0 (8.) Höyryfaas oletettn tässä deaalseks. Tämä on usen paremp arvaus kun deaalnen nestefaas; höyryssä molekyylt ovat kauempana tosstaan jollon vuorovakutukset ovat kaken kakkaan vähäsempä kun nesteessä. Korkessa panessa myös höyryfaasn epädeaalsuus vo olla merkttävä ja se vodaan huomoda sopvalla tlanyhtälöllä. Tasapanovakon ja erotustekjän lausekkeet epädeaalslle luokslle saadaan edellä olevan avulla K = y x = g p p 0 (9.) a j = g p g p j 0 0 j (10.) Aktvsuuskertomen estmontn on olemassa lukusa menetelmä, jota on ohjelmotu prosesssmulaattorehn. Tyypllsmpä nästä ovat Wlson, UNIQUAC, ja NRTL. Nämä menetelmät ennustavat komponentten aktvsuuskertomet ptosuuksen ja lämpötlan perusteella. Ne vaatvat komponentten välsä vuorovakutusparametreja, jota on koottu myös smulaattoreden tetokantohn. Tyypllstä menetelmlle on se, että usean komponentn systeemessä aktvsuuskertomet vodaan ennustaa huomomalla sopvalla (menetelmälle omnasella) tavalla bnäärparen, el kunkn kahden komponentn välset, vuorovakutukset. Nän tetokantohn tarvtaan van kunkn komponenttparn mallkohtaset parametrt. 2.1.4 Tlanyhtälöt Tlanyhtälöt ovat malleja, jolla saadaan laskettua tyypllsest tuntematon mooltlavuus, pane ta lämpötla, kun kaks muuta nästä tunnetaan. Yksnkertasn tlanyhtälö on deaalkaasulak. Monmutkasemmat tlanyhtälöt pystyvät ennustamaan yhtäakasen höyry- ja nestefaasn olemassaolon ja nden ptosuudet. Monmutkasemmlla tlanyhtälöllä vodaan myös arvoda kaasun pokkeama deaalkaasusta korkessa panessa. Tlanyhtälöden hyvä puol on se, että sama yhtälö sop sekä höyrylle että nesteelle, ja nden avulla vodaan laskea sekä tasapanoptosuuksa että muta aneomnasuuksa (kuten theys). Ne sopvat laajalle pane- ja lämpötla-alueelle. Tlanyhtälöden huono puol on se, ette hyvn epädeaalsa systeemejä, kuten sellasa jotka jakautuvat kahteen tosnsa lukenemattomn nestefaasehn, ole kovn helppo kuvata tarkast. Sen sjaan tlanyhtälöt sopvat hyvn esmerkks erlasten hlvetyjen seokslle korkessa panessa. Tyypllsä tlanyhtälötä ovat mm. Soave-Redlch-Kwong (SRK) ja Peng-Robnson (PR). Tlanyhtälössä on myös komponenttparkohtasa vuorovakutuksa samon kun aktvsuuskerronmallessa. Erlasa tlanyhtälötä ja nden modfkaatota on satoja. Nästä tyypllsmmät on ohjelmotu prosesssmulaattorehn ja nden tarvtsemat vuorovakutusparametrt löytyvät usen myös ohjelmen tetokannosta. Tlanyhtälöt saattavat tosn jo olla rakenteellsest sellasa, että komponentten vuorovakutusparametrt van korjaavat tlanyhtälön tsessään ennustama vuorovakutuksa. Aktvsuuskerronmallssa nän e ole, vaan ne vaatvat ana kokeellsest mtatut ta komponentten rakenteen perusteella ennustetut vuorovakutusparametrt. 6
2.1.5 Kaasu vs. höyry Tässä luvussa on tarkasteltu höyry-neste tasapanoja. Höyryllä yleensä tarkotetaan kaasumasta anetta, jonka lämpötla on alle komponentn krttsen lämpötlan. Tällön slle vodaan mm. laskea höyrynpane Antonen yhtälöstä. Kemallsssa prosessessa kästellään kutenkn myös aneta, joden krttnen lämpötla on alle prosessn lämpötlan, ekä ntä ss vo esntyä puhtana nestenä kysesessä lämpötlassa. Faastasapanoja tarkasteltaessa nätä kutsutaan kaasuks, vakka arkelämässä termejä kaasu ja höyry käytetään usen sekasn. Tlannetta hämmentää velä se, että termllä höyry vtataan usen arkelämässä ertysest veden höyrymäseen olomuotoon. Englannn kelessä tlanne on selvemp, kaasu = gas, höyry = vapor, veshöyry = steam el water vapor. Ilmassa kakk merkttävässä määrn esntyvät komponentt ovat ylkrttsä ulkolman lämpötlossa lman kosteutta el lman ssältämää veshöyryä lukuun ottamatta. Kaasujen faastasapanoja kuvataan usen lukosuusmallen avulla. Tyypllsn lukosuusmall on ns. Henryn lak, joka lamelle luokslle ja deaalselle kaasufaaslle on y p = x H (11.) Henryn lan "vako" H on komponenttkohtanen ja rppuu lämpötlasta. Tämän mukaan tasapanovako K = H / p. Lukosuusmallen lsäks myös tlanyhtälötä vodaan käyttää, kun arvodaan ylkrttsten komponentten jakaantumsta faasen välllä. 2.1.6 Höyryn ja nesteen ptosuudet erotustekjän avulla Kun tarkastellaan kahden komponentn, a ja b, seosta, saadaan tekemällä sjotukset y b = 1- y a ja x b = 1- x a erotustekjän (ts. suhteellsen hahtuvuuden) lausekkeeks tasapano-olosuhtessa a ab = y x a a y x b b = y x a a ( 1 - x a ) ( 1- y ) a (12.) joka vodaan ratkasta y a :n suhteen y a a = 1+ ab x a ( a ab -1) x a (13.) Kun aab ja nesteen konsentraato xa tunnetaan, tasapanossa olevan höyryn koostumus saadaan laskettua suoraan edellä olevan yhtälön avulla. Esmerkk Bentseen-tolueen -seos on hyvn deaalnen. Komponentten höyrynpaneet 121 C:ssa ovat 304 kpa bentseenlle ja 135 kpa tolueenlle. Prrä nesteen kanssa tasapanossa olevan höyryn ptosuus nesteen ptosuuden funktona. 7
Ratkasu Erotustekjäks 121 C:ssa saadaan a p = p 304 = 135 0 j = 0 j 2,25 (14.) Kun tämä sjotetaan yllä olevaan höyryn ptosuuden yhtälöön, tasapanokäyrän yhtälöks saadaan y a a = 1+ ab x a = 2,25x ( aab -1) x a 1+ 1,25x a a (15.) Tämä (y-x dagramm) on estetty graafsest seuraavassa kuvassa vasemmalla. Erotusprosessessa pane on usemmten lähes vako, jollon lämpötla muuttuu ptosuuden mukaan. Seuraavassa kuvassa okealla on estetty, mtä faaseja systeemssä on lämpötlan ja ptosuuden funktona (ns. T-xy dagramm ta T-xy kuvaaja) y-x dagramm T-xy dagramm Jos lämpötla on korkea, okeanpuolesen kuvan ylemmän vvan yläpuolella, e systeemssä ole nestettä lankaan vaan pelkkää höyryä. Höyryä kutsutaan tällön tulstetuks. Pystysuoraa etäsyyttä ylemmästä vvasta kutsutaan tällön tulstuslämpötlaks. Kun höyryä jäähdytetään tulstuslämpötlan verran, saavutetaan ylemp käyrä, joka kuvaa kastepsteessä olevaa höyryä. Kastepste tarkottaa stä lämpötlaa, mssä höyry juur alkaa nesteytyä. Kun lämpötlaa pudotetaan edelleen, on systeemssä höyry- ja nestefaast, joden ptosuudet ovat er suuret. Esmerkks katkovvalla kuvatussa lämpötlassa T systeem jakaantuu kahteen faasn, joden ptosuudet komponentn B suhteen ovat x B ja y B (neste x ja höyry y). Kun lämpötlaa pudotetaan edelleen, saavutetaan kuplapste, jota kuvaa edellsessä kuvassa okealla alemp vva. Tämän vvan alapuolella on kakk höyry lauhtunut. Komponentten erottumsta neste- ja höyryfaasehn vodaan luonnollsest hyödyntää anoastaan käyren välsellä alueella jossa molemmat faast ovat olemassa. Puhtalle komponentelle kaste- ja kuplapste ovat samat ja ne sjatsevat höyrynpanekäyrällä. 8
Usella komponentella seokset ovat snä määrn epädeaalsa, että ne muodostavat ns. atseotroopppsteen. Tällön tetyssä lämpötlasta rppuvassa ptosuudessa höyryn ja nesteen koostumukset ovat samat, el erotustekjä on yks. Perntesellä tslauksella e atseotrooppkoostumuksessa olevaa seosta voda väkevödä, koska komponentt evät rkastu kumpaankaan faasn. Tslaus vo olla samolle komponentelle hyvä vahtoehto ptosuuksssa, jotka ovat rttävän kaukana atseotroopppstettä. Esmerkknä etanol-ves seos, jossa atseotrooppkoostumus lmanpaneessa on n. 89 mol-% ta 96 tl-% etanola vedessä lämpötlan ollessa n. 78 o C. Nädenkn komponentten suhteellnen hahtuvuus on melko suur penllä etanolptosuukslla, mutta atseotroopppstettä lähestyttäessä erotus muuttuu yhä hankalammaks, koska nesteen ja höyryn ptosuudet lähestyvät tosaan. Seuraavassa T-x kuvaajassa on hahmotettu asaa. 2.2 Neste/neste-tasapano Tasapanon laskemseen tosnsa lukenemattomssa neste-neste-seoksssa vodaan käyttää yhtälöä (8) molemmlle faaselle erkseen. Komponentlle saadaan p = py = x g p 0 (16.) Koska tarkasteltavan puhtaan komponentn höyrynpane nestefaasssa, saadaan 0 p ja kokonaspane on sama kummassakn x I g I = x II g II (17.) Neste-neste prosessen erotustekjäks tasapano-olosuhtessa saadaan sten a j K = K j x = x I I j x x II II j g g = g g II I I j II j (18.) 9
jota kutsutaan usen luotnparn selektvsyydeks. Neste-neste -tasapanossa erottumsta tapahtuu (aj 1) van, jos luokset ovat epädeaalsa (g l). Tästä seuraa edelleen, että erotustekjä aj rppuu vomakkaast nesteden ptosuukssta. Itse asassa nesteen jakaantumnen kahteen faasn edellyttää jo snänsä vomakasta epädeaalsuutta; er faasehn meneven komponentten ptää hylkä tosaan jotta faasen erottumnen on mahdollsta. Neste-neste tasapanot ovat yleensä selväst höyry-neste tasapanoja hankalampa, mkäl ntä halutaan esttää aktvsuuskerronmallen avulla tarkast. Selektvsyys on epädeaalsuukssta johtuen myös huomattavassa määrn ptosuukssta rppuva. Tästä syystä neste-neste tasapanoja estetäänkn usen graafsessa muodossa. Seuraavassa kuvassa on estetty tasapanotedot vnyylasetaatt-etkkahappo-ves -seokselle kolmodagrammna 25 o C:ssa. Vaaka-aksellla on veden ptosuus xv panoprosenttena ja pystyaksellla on etkkahapon ptosuus x e panoprosenttena. Loppu on vnyylasetaatta, jonka ptosuus panoprosenttena on ss xvn = 100 - xv - xe. Esmerkks kuvan pste P vastaa koostumusta, jossa on vettä 27 p-%, etkkahappoa 36 p-%, ja vnyylasetaatta 100-(36+27)% = 37 %. Kuvassa käyrän alle jäävä alue vastaa sellasa ptosuuksa, jolla muodostuu kaks nestefaasa. Etkkahapon lsäämnen ss tosnsa lukenemattomen veden ja vnyylasetaatn seokseen saa ne jossan vaheessa lukenemaan tosnsa. Lukosuuskäyrät ovat myös vomakkaast lämpötlasta rppuva. Usemmten (mutta e ana) lukosuudet paranevat lämpötlan noustessa jollon käyrän alle jäävä alue penenee ja jossan lämpötlassa saattaa hävtä kokonaan. Tällön komponentt lukenevat tosnsa kakssa ptosuuksssa. Lukosuuden paranemnen on ss uuton erotustekjää huonontava sekka. Kuvassa olevan lukosuuskäyrän alapuolella oleven katkovvojen (tasapanovvojen) päät kertovat ptosuudet, john tasapanossa olevat nestefaast asettuvat. Uutto on luonnollsest mahdollnen erotusmenetelmä van lukosuuskäyrän alapuolsssa ptosuuksssa, kun systeem jakaantuu kahteen nestefaasn. 10
Esmerkk. Etkkahappoa postetaan vnyylasetaattluoksesta uuttamalla se veteen 25 C:ssa. Kaks tosnsa sekottumatonta nestettä saatetaan kosketukseen sekotusastassa, ja ntä sekotetaan, kunnes tasapano on saavutettu. Tämän jälkeen ne johdetaan selkeyttmeen (dekanttern), jossa faast erotetaan tosstaan. Jos vesfaasn etkkahappoptosuus on 25 %, nn mkä on vnyylasetaattfaasn koostumus? Ratkasu: Vesfaasn etkkahappoptosuus on 25 p-%. Koska van kylläset luokset vovat olla tasapanossa keskenään, nn vesfaasn koostumusta esttävä pste täytyy olla aemmn estetyn tasapanokuvan rajakäyrällä, joten sen koostumus on (pste A edellä estetyssä tasapanokuvassa) 25 p-% etkkahappoa, 8 p-% vnyylasetaatta ja 67 p-% vettä. Tasapanossa olevan vnyylasetaattfaasn koostumuksen saa seuraamalla sellasta tasapanovvaa, joka on yhdensuuntanen kuvassa oleven katkovvojen kanssa. Tasapanovvan ja rajakäyrän lekkauspsteessä (pste B) saadaan tasapanossa olevan vnyylasetaattfaasn koostumukseks 16 p-% etkkahappoa, 78 p-% vnyylasetaatta ja 6 p-% vettä. 2.2.1 Uuton vpusääntö Kun syötön ptosuus tedetään, vodaan tasapanokuvaajasta nähdä suoraan myös syntyven faasen määrät. Seuraavassa kuvassa on estetty eräs syötön kokonasptosuus S (20 p-% etkkahappoa, 25 p% vettä ja loput vnyylasetaatta), joka on kaksfaasalueella. 11
Se jakaantuu ss kahteen nestefaasn, joden ptosuudet saadaan tasapanovvojen pästä (A ja B). Näden faasen määrät saadaan vvojen B-S ja S-A suhteellssta ptosuukssta sten, että pstettä B vastaavan faasn (orgaannen faas) osuus on verrannollnen vvan S-A ptuuteen ja pstettä A vastaavan faasn (vesfaas) määrä vvan B-S ptuuteen. Mkäl kuva on estetty massaosuuksna, määrät ovat massoja, ja mkäl kuvassa on moolosuudet, määrät ovat mooleja. Samanlanen vpusääntö on vomassa myös höyry-neste dagrammen kaksfaasaluella. Vpusääntö saadaan johdettua helpost krjottamalla anetaseet ja ratkasemalla faasen suhteet nstä. 2.3 Neste/knteä-tasapano Neste-knteä -tasapanolle on olemassa myös jotan aktvsuuskertomn ta vastaavn vuorovakutusparametrehn pohjautuva malleja. Usemmten kutenkn tasapano estetään graafsest. Seuraavassa kuvassa on estetty esmerkk neste-knteä faasdagrammsta bnäärselle m-kresol-pkresol seokselle. Kuvassa estetty lukosuuskäyrä lmottaa lämpötlan, jossa knteä faas vo esntyä tasapanossa nesteen kanssa mllä tahansa luoksen m-kresolptosuudella. Kuvassa on merktty, mtkä faast ovat tasapanossa, kun kokonasptosuus on tetyllä lämpötlaalueella. Esmerkks jos kokonasptosuus on 8 mol-% m-kresola 14 C:ssa (pste A), nn faast ovat knteä puhdas p-kresol (pste B) ja neste, joka ssältää 27 mol-% m-kresola (pste C). Psteet, jotka on merktty E l:llä ja E 2:11ä, ovat ns. eutektsa pstetä, jotka ovat jähmettymskäyrän (lukosuuskäyrän) mnmkohta. Jos luos halutaan kteyttää kokonaan, sen lämpötla on laskettava alle vastaavan eutektsen lämpötlan. Kuvasta nähdään, että tämä lämpötla on 1,6 C, kun m-kresolptosuus on välllä 0...67 mol-% ja 4 C, kun m-kresolptosuus 67...100 mol-%. Knteä- neste tasapanojen tarkastelu on keskestä mm. kteytyksessä, saostuksessa ja luotuksessa. Erlasten knteden faasen, mm. er tavon järjestäytyneden kdehlojen, tarkastelu on lsäks tärkeää erlasssa materaalteknkan sovelluksssa. 12
3 Ideaalaskelten lukumäärän määrttämnen 3.1 Johdanto Aneensrtoa kahden faasn välllä vodaan saada akaan saattamalla faast suoraan kosketukseen. Tavallsest käytetään vastavrtaan tomva latteta, koska sten saadaan faasen välnen aneensrtopotentaal parhaten hyödynnettyä. Tlanne on hyvn samankaltanen kun myötä- ja vastavrtalämmönsrtmssä. Lämmönsrron yhteydessä prretyt myötä- ja vastavrtasrtmen lämpötlaproflen kuvat vodaan tulkta ptosuusproflks vastavrtasessa erotusprosessssa. Aneensrrossa tosn täytyy lsäks huomoda faastasapano, jota koht faasen ptosuudet lähestyvät jos saavat olla kosketuksssa tostensa kanssa rttävän kauan. Alla olevassa kuvassa on estetty kaksvahenen sekotus-selkeytyssysteem. Vasemmalta alhaalta tulee raskaamp faas ssään (tumma nuol). Se kohtaa jälkmmäsestä vaheesta tulevan kevyemmän faasn (vaalea nuol). Sekotusastassa, jossa on rttävän suur vpymäaka ja hyvä kontakt faasen välllä (rttäväst faasen välstä pnta-alaa), ne sekotetaan hyvn keskenään, jollon ne asettuvat tasapanoon. Tämän jälkeen faast erotetaan tosstaan. Raskas faas ohjataan okeanpuoleseen ykskköön tuoreen kevyen faasn syötön kanssa. Tämän ykskön selkeytysosasta saadaan raskaan faasn tuote; kevyt faas ohjataan ensmmäseen ykskköön. Tällä tavon ykskötä yhdstelemällä saadaan faast kontaktn tostensa kanssa vastavrtaperaatteen mukasest. Sama kuva prretään usen yksnkertasemmn useampvaheselle (N+2) aneensrtosysteemlle. Tällasessa ns. aneensrtokaskadssa reunmmaset yksköt ovat tomnnaltaan usen heman keskmmässtä pokkeava, mstä syystä numeronnssa ne otetaan huomoon erkseen. Esmerkknä tslauksessa pohjankehutn ja lauhdutn ja nden välssä olevat tslauskolonnn välpohjat. N kpl ( ) Tyypllnen askelettan tomva aneensrtolate on tslauksen pohjakolonn. Kolon on varustettu päällekkän olevlla pohjlla. Neste vrtaa ylhäältä alaspän pohjalta pohjalle ja höyry nousee alhaalta ja vrtaa pohjssa oleven reken lävtse ja pohjlla oleven nestekerrosten lävtse seuraavalle pohjalle. Uutossa vodaan myös käyttää pohjakolonneja, jollon raskaamp neste valuu ylhäältä alas ja kevyemp neste vastavrtaan alhaalta ylös. Myös edellä estettyjä sekotn-selkeytnkaskadeja käytetään uutossa. Askelettan tomva latteta käytetään lsäks esm. pesussa, luotuksessa ja kuvauksessa. Nätä latteta kästellään myöhemmn lsää. Tarkastellaan aneensrtoprosessn (vastavrta) peraatteellsta estystä 13
y a V a y b V b L a x a L b x b Aneensrto tarkottaa yhden (ta useamman) komponentn srtymstä faasen välllä. Aneensrtoprosessssa on ss vähntään kaks faasa jotta erottumsta faasen välllä vo tapahtua. Edellä on käytetty merkntätapaa, jonka mukaan latteen a-päätyyn syötetään L- faas (L a) ja b-päätyyn V- faas (V b). Yleensä V:llä merktään kevyempää faasa (esm. tslauksessa höyry, Vapor) ja L:llä raskaampaa (esm. tslauksessa neste, Lqud). Muta aneensrtoprosesseja kuvattaessa käytetään yleensä samoja krjama vakka faast vovatkn olla muta kun neste ja höyry, esmerkks uutossa molemmat faast ovat nestetä. Vastaavast x a tarkottaa lateeseen tulevan L-faasn komponentn a ptosuutta ja y a lateesta postuvan V-faasn ptosuutta. Askelmall aneensrtoprosessn laskemseks on estetty seuraavassa kuvassa. Vrrat on snä estetty tulevan ylhäältä ja alhaalta, kuten käytännössä usen asa on erotuskolonneja (esm. tslaus ta uutto) käytettäessä. Muodostetaan kokonasanetase ja anetaseet tarkasteltavlle komponentelle kuvaan prretylle tasealueelle. Tasealueen rajat kuvassa ovat kolonnn tonen pää ja pohjan numero n kohdalla kolonnssa oleva katkovva. Oletetaan ajasta rppumaton tlanne el e kertymstä tasealueeseen. Oletetaan myös, että taseyhtälössä oleva syntymsterm on nolla (e reaktota). 14
15 Kokonasanetase: D L V L V L V b b a a n 1 n D = - = - = - + (19.) ja anetase tarkasteltavalle komponentlle: C x L y V x L V y x L y V b b b b a a a a n n 1 n 1 n D = - = - = - + + (20.) Tarkasteltava komponentt vo olla mkä tahansa. Yleensä kahden komponentn erotuksssa tarkasteltavaks komponentks valtaan se, joka rkastuu kevyempään faasn. Esmerkks tslauksessa korkeamman höyrynpaneen omaava ane. 3.2 Käyttövva Käyttövva on komponentn anetaseen graafnen estys. Se kuvaa er faasen ptosuuksa (ta muta omnasuuksa) tetyllä kohtaa prosessa, esmerkks edellä olevassa kuvassa jollan korkeudella kolonna. Komponentn anetaseesta saadaan: 1 n b b b b n 1 n n 1 n a a a a n 1 n n 1 n V x L y V x V L V x L y V x V L y + + + + + - + = - + = (21.) el 1 n n 1 n n 1 n V C x V L y + + + D + = (22.) Tämä on käyttövvan yhtälö, sllä sen avulla vodaan prtää höyryn ptosuus y nesteen ptosuuden x avulla mssä tahansa kohtaa latetta. Huomaa, että tämä on er asa kun tasapanoptosuus. Jos käyttövvan ptosuudet olsvat samat kun tasapanoptosuudet, olsvat faast sllä kohtaa latetta jo tasapanossa ekä aneden rkastumsta er faasehn tapahtus. Usen laskelmen yksnkertastamseks oletetaan, että L-faasn ja V-faasn vrrat ovat vakot. Tällön saadaan käyttövvan yhtälöks: V C x V L y n 1 n D + = + (23.) Tämä on myös suoran yhtälö x, y -koordnaatstossa, mkäl L, V ja DC ovat vakota. Vako höyryja nestevrtaus on kohtuullsen hyvä oletus etenkn tslauksessa. Käytännössä taseta numeersest tetokonella ratkastaessa tätä oletusta e tarvta, mutta graafsest asota hahmoteltaessa se helpottaa työtä. Käyttövvan kanssa samaan kuvaan prretään usen komponentten tasapanokäyrä jota esteltn lyhyest jo aemmn.
3.3 Ideaalaskel Tarkastellaan seuraavan kuvan aneensrtoaskelta n. Raskas faas (neste) on L-faas ja kevyt faas (kaasu ta höyry) on V-faas. x,n-1 L n-1 V n y,n n N A V n+1 x,n L n y,n+1 Ideaalaskel määrtellään seuraavast: Ideaalaskeleesta postuvat vrrat ovat tasapanossa keskenään. Tasapano tarkottaa, että postuven vrtojen 1. pane on sama 2. lämpötla on sama 3. ptosuudet ovat faasen tasapanoptosuudet tässä paneessa ja lämpötlassa. Kuvassa ptosuudet y,n ja x,n ovat ss deaalaskeleen määrtelmän mukaan tasapanossa. Käyttövva stoo ptosuuksa y,n ja x,n-1 sekä y,n+1 ja x,n, sllä nämä ovat höyryn ja nesteen ptosuuksa samalla kohdalla latetta. Jos aneensrtoaskeleeseen tulevat vrrat L n-1 ja V n+1 evät ole fyskaalsessa tasapanossa, el nssä komponentn A ptosuudet evät ole tasapanossa, aneensrtoaskeleessa tapahtuu aneensrtoa faasen välllä. Ideaalaskeleessa faasen välstä aneensrron nopeutta e tarkastella snänsä, vaan oletetaan, että vpymäaka askeleessa on nn ptkä että aneensrto eht tasapanottaa ptosuudet. Todellsssa aneensrtolattessa (tslaus, uutto, pesu jne.) e aneensrto ole deaalsta, evätkä faast ehd pohjlla tasapanoon. Ideaalaskelten lukumäärä kuvaa sten teoreettsta erotuksen vakeutta sellasessa deaaltlanteessa, että faast ehtsvät joka askeleessa täydellseen tasapanoon. Todellsa erotuspohja tarvtaan yleensä enemmän kun deaalaskelten lukumäärä edellyttää. Ideaalaskelten ja todellsten askelten lukumäärän eroa kuvataan erlasten hyötysuhdemallen avulla. Hyötysuhteta vodaan edelleen arvoda ykstyskohtasempen aneensrtomallen avulla krjottamalla anetaseet jossa on huomotu aneensrron nopeusyhtälöt. Mkäl kolonnssa e ole välpohja vaan se on pakattu täytekappalella, deaalaskeleen käste on slt hyödyllnen. Täytekappaleet vovat olla esm. kolonnn satunnasest pakattuja 1-5 cm tateltuja metallrenkata ta strukturotuja tateltuja levypakkoja. Tällön deaalaskelta vastaa tetty pakkauksen korkeus, el ns. HETP -arvo (Heght Equvalent to a Theoretcal Plate). Tyypllsest tslauksessa välpohjat ovat n. 30-60 cm päässä tosstaan ja tomvat n. 70-100 % hyötysuhteella. Täytekappalekolonnessa HETP arvot ovat tyypllsest samaa suuruusluokkaa rppuen täytekappaleden tyypstä ja koosta. Täytekappalella kolonnn panehävö on tyypllsest vähän penemp kun perntesllä välpohjlla mstä on etua ertysest alpanetslauksessa. 16
3.4 Ideaalaskeleden lukumäärän laskemnen McCabe-Thele menetelmällä Ideaalaskeleden lukumäärän N määrttämnen tapahtuu porrastamalla käyttövvan ja tasapanovvan välllä kuten alla olevassa kuvassa on estetty. Jokanen kolmo vastaa yhtä deaalaskelta. Tähän erotukseen tarvtaan kolme deaalaskelta. Sama graafnen ratkasu sop kaklle askelettan tomvlle operaatolle kuten esm. absorpto, tslaus, luotus, pesu ja uutto. Tätä porrastusta kutsutaan McCabe-Thelen menetelmäks. Menetelmää kästellään tarkemmn tslauksen yhteydessä. 4 Erotusprosesst Keman teollsuudessa on jatkuvast tlanteta, jollon er aneta on erotettava seokssta, esm. er prosessehn syötettäven vrtojen puhdstamnen, reaktoresta tuleven tuotteden erottamnen ja/ta puhdstus, raakaöljyn fraktont, savukaasujen puhdstus, arvokkaden aneden erotus raakaanesta ta jätevrrosta, arvokkaden metallen erotus malmkvestä ta yhdyskuntajätteestä jne. Edellä mantut puhdstus- ja erotustomenpteet ovat suortettavssa aneensrtoon perustuvlla erotusprosessella. Erotusprosessella ja nden motteettomalla tomnnalla on keskenen merktys koko tuotantolatoksen tomnnan ja taloudellsen kannattavuuden kannalta. Erotusprosesst vodaan jaotella prosessssa esntyven faasen mukaan seuraavast: Kästeltävä ane Kästtelevä ane Esmerkkejä ykskköoperaatosta kaasu neste absorpto, kaasun pesu, kaasun kostutus kaasu knteä adsorpto, kalvoerotus neste kaasu tslaus, strppaus, kemallnen saostus neste neste uutto neste knteä adsorpto, kalvoerotus, suodatus knteä kaasu kuvaus knteä neste luotus, pesu Kästeltävässä aneessa vo olla myös useampa faaseja. Esmerkks vaahdotuksessa nesteessä olevasta kntoaneesta erotetaan selektvsest haluttuja kntetä partkkeleta kuplttamalla sen läp kaasua. Erotus perustuu shen, että kntoaneden tarttumshalukkuus kuplen pntaan rppuu kntoanepartkkeleden omnasuukssta. 17
Seuraavaks kästellään jotan tyypllsmpä erotusprosesseja ylesellä tasolla. 4.1 Tslaus Tslaus on erotusmenetelmstä tärken ertysest erotettaven aneden volyymssa mtattuna. Non 95 % kaksta kemallsen prosessteollsuuden ja öljynjalostusteollsuuden erotukssta tehdään tslauksella. Tslaus on erttän suur energan kuluttaja. Yhdysvallossa on arvotu, että 7,5 % öljyn kokonaskulutuksesta kuluu tslaukseen, mkä vastaa n. 15 % Yhdysvaltojen teollsuuden energan tarpeesta. On myös arvotu, että tslausprosesst kuluttavat Yhdysvallossa enemmän energaa kun koko lentolkenne. Tslauksella tarkotetaan sanan ylesmmässä merktyksessä nesteseoksen osttasta höyrystämstä ja syntyneen höyryn erottamsta jäljelle jääneestä nesteestä. Alkuperäsessä nesteseoksessa olevat helpommn hahtuvat komponentt väkevötyvät höyryfaasn ja vakeammn hahtuvat komponentt väkevötyvät nestefaasn. Sten komponentten erotus johtuu komponentten erlassta hahtuvuukssta el komponentten erotustekjöstä. Mtä suuremp seoksen suhteellnen hahtuvuus on, stä helpommn sen komponentt tslautuvat erlleen. 4.1.1 Tslauskolonnn rakenne Käytännössä tslaus tapahtuu kolonnessa, jossa on pohjalla kehutn, hupulla lauhdutn, ja tse kolonnssa tslauspohja ta täytekappaleta. Pohjat ta täytekappaleet antavat nesteelle ja höyrylle aneensrron tarvtseman kontaktpnnan. Koko kolonnn matkalla tapahtuu jatkuvaa höyrystymstä ja lauhtumsta sten, että kevyemmät aneet srtyvät meluummn ylöspän höyryn mukana ja raskaammat aneet alaspän lauhtuvan nesteen mukana. Pohjakolonnessa neste ohjataan yleensä alemmalle pohjalle ns. paluukaukalon kautta, josta se vrtaa pohjaa ptkn svusuunnassa pohjan tosessa reunassa olevaan paluukaukaloon. Jossan tapauksssa neste ohjataan vrtaamaan samosta re'stä alaspän mstä höyry nousee ylös. Neste Neste Höyry Höyry Rstvrtauspohja Vastavrtauspohja Erlasa pohja- ja täytekappaletyyppejä on kehtetty lukusa. Pohjlla olevat reät on yleensä varustettu erlaslla venttlratkasulla, jolla pyrtään mnmomaan nesteen halltsematon valumnen re'stä alemmalle pohjalle. Tonen vahtoehto on täyttää kolonn välpohjen sjasta täytekappalella. Tällön neste valuu täytekappaleden pntoja ptkn alaspän hyvässä kontaktssa täytekappaleden välssä ylöspän vrtaavan höyryn kanssa. Täytekappaleta vodaan valmstaa useasta er materaalsta, kuten metallsta, muovsta ta keraamssta materaalesta. Samoja pohjatyyppejä ta täytekappa- 18
leta vodaan käyttää myös mussa höyry-neste erotusprosessessa, kuten absorptossa. Tslauksessa välpohjen tomnta on tyypllsest melko lähellä edellä määrteltyjä deaalaskela. Todellsen tslauspohjan ja deaalaskeleen eroa vodaan kuvata pohjan hyötysuhteella. Tyypllsest hyötysuhteet tslauksessa ovat suuruusluokkaa 60-90%. Monssa mussa erotusprosessessa, kuten absorptossa ta uutossa, hyötysuhteet vovat olla huomattavast penempä. Seuraavassa kaavokuvassa on tyypllnen jatkuvatomnen tslauskolonn. Syöttö tulee usemmten kolonnn keskvahelle jotta erotusta tapahtuu sekä tsleeseen että pohjatuotteeseen. Optmkohta syötölle on sellanen, mssä kolonnn ssästen vrtausten ptosuudet ovat mahdollsmman lähellä syötön ptosuuksa. Kolonnn yläosassa on lauhdutn, mssä kolonnsta tuleva höyry nesteytyy joko osttan ta kokonaan. Osa nesteestä on palautettava kolonnn, jotta syötön yläpuolellakn ols nestefaas. Vastaavast kolonnn pohjalla olevaa nestettä on kehutettava, jotta syötön alapuolella ols höyryfaas. Jatkuvatomnen tslauslattesto on tavallsest useta välpohja ta joskus täytekappaleta kästtävä pystykolonn. Pakatussa kolonnessa panehävö on penemp kun pohjakolonnessa, joten ne sopvat esmerkks alpaneessa tapahtuvaan tslaukseen. Täytekappaleta käytetään myös usen sllon, kun kolonnn halkasja on melko pen (penet vrtaukset). Mkäl aneden suhteellnen hahtuvuus on suur (a j > 1,5) el seoksen ssältämen aneden kehumspsteet ovat hyvn erlaset, vaadttaven deaalpohjen määrä on pen. Mkäl taas aneden suhteellnen hahtuvuus on pen el seoksen ssältämen aneden kehumspsteet ovat lähellä tosaan, saattaa vaadttaven teoreettsten pohjen määrä olla useta satoja. Tällön tslaukselle on usen järkevää etsä jokn vahtoehtonen erotusmenetelmä. 4.1.2 Tslamen taseet Tslauskolonnn ratkasu perustuu ana taseden ja faastasapanon ratkasemseen. Taseta vodaan ratkasta käsn laskemalla, prtämällä taseet ja faastasapano samaan kuvaan (McCabe-Thele menetelmä), ta prosesssmulaattorella. Käytännössä käsn laskenta ja graafset menetelmät sopvat 19
van tlantesn, jossa erotetaan kahta komponentta tosstaan. Nden avulla on kutenkn hyvä hahmottaa tslausprosessa. Krjottamalla tase kolonnn melvaltasen pohjan numero n ympärlle saadaan V n y n + L nx n = L n- 1x n-1 + Vn + 1y n+ 1 (24.) Tässä on oletettu, että pohjalle e syötetä ekä seltä oteta kolonnn ulkopuolelle anetta. Lsäks on oletettu ajasta rppumaton tlanne. Ulkopuolset vrtaukset vodaan helpost lsätä anetaseeseen. Mkäl halutaan ratkasta ajasta rppuva tlanne, ptää kolonnn pohjan omnasuuksa tuntea tarkemmn (mm. nesteen tlavuus pohjalla). Lsäks yhtälöden ratkasumenetelmä ajasta rppuvssa tlantessa on erlanen. Ajasta rppuva tlanne johtaa dfferentaalyhtälöhn, kun ajasta rppumaton tavallseen yhtälöryhmään. Krjottamalla vastaava energatase saadaan V nh n + Lh = L n- 1h n-1 + Vn + 1H n+ 1 (25.) Tase kuvaa energavrtoja (J/s) joten se on ss dmensoltaan ajasta rppuva vakka mallssa oletetaankn steady state tla (e kertymstä). Mkäl pohjalle syötetään ta seltä postetaan anetta, nämä vrrat tulee huomoda taseessa. Samon mahdollnen lämmtys ta jäähdytys tulee ottaa huomoon. Tämä mall (taseyhtälöt ja aemmn kästelty faastasapano) vodaan ratkasta numeersest tetokonella. Tetokonella usen lasketaan ns. smulonttapaus. Tällön - arvataan tarvttava pohjaluku N - syöttö oletetaan täysn tunnetuks (ptosuudet, vrtaukset, lämpötla, syötön faas) - tsleen ta altteen määrä valtaan ja tonen lasketaan kokonastaseesta - lämmtysteho ta jäähdytysteho valtaan ja tonen lasketaan energataseesta Yhtälöryhmän ratkasuna saadaan kakken pohjen ptosuudet, lämpötlat ja vrtaukset. Jos lasketut tsleen ja altteen ptosuudet evät ole tovotut, nn muutetaan pohjalukua, tuotevrtausta ta energankäyttöä ja lasketaan uudelleen, kunnes saavutetaan haluttu erotus. 4.1.3 Yhden deaalaskeleen tomnnan ratkasemnen taseden avulla Seuraavaks tarkastellaan deaalaskeleen tomnnan ratkasemsta, ts. ulostuleven vrtojen omnasuuksen laskentaa, taseden avulla. Yks deaalaskel vo kuvata vakkapa sälötä, jossa höyryä kupl nesteen läp, ta kehutusastaa jossa osa syötettävästä nesteestä postuu höyrynä ja osa nesteenä. Taseet tälle systeemlle ovat seuraavat kokonasanetase tosen (esm. kevyemmän) komponentn anetase energatase F V + F L = V + L F Vy F + F Lx F = Vy + Lx F VH F + F Lh F + Q = VH + LH mssä F vttaa syöttöön (feed). 20
Lsäks tarvtaan faastasapanomall, esm. yhtälö 5 deaalsten faasen tapauksessa, stomaan postuvan höyryn ja nesteen ptosuuksa (nämähän ovat oletuksen mukaan tasapanossa). Energatasetta varten tarvtaan mall entalpolle. Jos oletetaan, että lämpökapasteett ovat vakota, saadaan höyryn entalpa H = cpv ( T - Tref ) + DH vap nesteen entalpa h = c ( T - T ) Mkäl tarkasteltavana on kahden komponentn seos, tuntemattoma ovat postuvat vrtaukset V ja L, ptosuudet x ja y (tosen komponentn ptosuus on 1-y ta 1-x) ja lämpötla T. Mkäl lämpötla on annettu ja syötettävä energamäärä halutaan laskea, vodaan se ratkasta energataseesta. Kahden komponentn systeemlle tässä on ss vs yhtälöä ja vs tuntematonta, joten yhtälöryhmä on oken määrtelty. L pl ref 4.1.4 Ideaalaskeleden lukumäärän graafnen ratkasu Vakka nykyään tslauskolonnt suunntellaan prosesssmulaattoreta käyttäen, deaalaskeleden lukumäärän graafnen ratkasu McCabe-Thele -menetelmällä auttaa hahmottamaan tslausprosessa ja tetyn tslaustehtävän vakeutta. Menetelmässä prretään y-x dagrammn (kuvaajaan, jossa tarkasteltavan komponentn höyryn moolosuus on prretty nesteen moolosuuden funktona) sekä tasapanokäyrä että käyttövvat el kysesen komponentn anetasesta ratkastu höyryn ptosuus nesteen ptosuuden funktona. Käyttövva kuvaa höyryn ja nesteen ptosuuksen suhdetta tetyssä kohdassa kolonna. Tasapanokäyrä kuvaa ss ptosuuksen suhdetta deaalaskeleesta postuvssa vrrossa. Höyry postuu askeleesta ylöspän ja neste alaspän, evätkä ne postu samassa kohdassa. Akasemmn johdettn anetaseesta yleset yhtälöt käyttövvolle. Tslauksessa käyttövvat krjotetaan erkseen kolonnn syötön yläpuolselle osalle (väkevöntosa) ja alapuolselle osalle (hahdutusosa). Kun nämä prretään samaan kuvaajaan faastasapanokäyrän kanssa, saadaan deaalaskelten määrä arvotua porrastamalla käyttövvojen ja tasapanokäyrän väl. Merktään väkevömsosan vrtauksa alandeksllä V, el vrtaukset ovat L V ja V V. Höyrystymsosan vrtauksa merktään alandeksllä H, el vrtaukset ovat V H ja L H. Väkevömsosan ja hahdutusosan käyttövvojen yhtälöks saadaan tällön L V V y = x + V D V V x D (26.) L V H y = x - H B V H x B (27.) Tslamen lauhduttmen palautusvrran ja tslevrran suhdetta kutsutaan palautussuhteeks, ja stä merktään symbollla R ta RD. Tämä on tärkeä parametr, koska sen avulla saadaan yhteys tsleen määrän ja kolonnn ssästen vrtausten vällle. Palautussuhde määrtellään seuraavast R = L V / D (28.) Huomomalla tämä ja tslamen lauhduttmen kokonastase 21
V = D + V L V (29.) vodaan väkevömsosan käyttösuora lausua palautussuhteen avulla R x D y = x + R + 1 R + 1 (30.) 4.1.5 Käyttövvojen määrttämnen Kun kolonnn tslevrran haluttu ptosuus x D ja palautussuhde R tunnetaan, vodaan väkevöntosan käyttövva prtää. Väkevöntosan käyttövvan yhtälöstä nähdään, että kun x = x D, nn myös y = x D, joten väkevömsosan käyttövva kulkee ana tämän psteen kautta. R Suoran kulmakerron on, jota vodaan myös käyttää käyttövvan prtämseen. R + 1 Väkevöntosan käyttövva kulkee myös psteen x=0, x D y = kautta. R + 1 Kun väkevöntosan käyttövva on prretty, seuraavaks määrtellään syöttökohta. Se saadaan arvotua sen avulla, mtä faasa syöttö on. Syötölle prretään yhtälö q x F y = x - q -1 q -1 (31.) Parametr q kuvaa stä, kunka paljon syöttö kasvattaa kolonnn nestevrtaa. Käytännössä tämä on hyvn lähellä nesteen osuutta syötössä. Mkäl syöttö on nestettä kehumspsteessään, q=1, mkäl se on höyryä lauhtumspsteessään, q=0. Mussa tlantessa q vodaan arvoda syötön entalpan avulla H - h F q = H - h (32.) mssä H Syöttöpohjalla olevan höyryn entalpa () J/mol h Syöttöpohjalla olevan nesteen entalpa () J/mol h F Syötön entalpa () J/mol Seuraavaks etstään aemmn prretyn kolonnn yläosan ja syöttösuoran lekkauspste. Kolonnn alaosan käyttövva saadaan tämän lekkauspsteen ja pohjatuotteen y = x = xb psteden avulla Kun tslamen tasapanokäyrä ja käyttövvat tunnetaan, vodaan tarvttaven deaalaskelten lukumäärä määrttää porrastamalla. Alotetaan esmerkks kehuttmesta. Pohjatuotteen ptosuus x B tunnetaan. Kehuttmesta postuvan höyryn koostumus saadaan tasapanokäyrältä. Kolonnssa tällä kohtaa oleva neste saadaan taas käyttövvalta, el nesteen ptosuudesta, joka vastaa tätä höyryä. 22
Porrastusta jatketaan, kunnes päädytään syöttöpohjalle, väkevöntosaan ja lopuks lauhduttajaan. Porrasten lukumäärää kertoo erotukseen tarvttaven deaalaskelten lukumäärän. Portaden tasapanoaskeleella olevat kulmat ss kuvaavat sltä pohjalta postuven vrtojen ptosuuksa, ja käyttövvalla olevat kulmat vrtoja (höyry ja neste) tasapanokäyrällä oleven askelten välssä. Esmerkk n-pentaan/n-heptaan seos ssältää 50 mol-% pentaana. Tsleeks halutaan 90 mol-% pentaana ja altteeks 10 mol-% pentaana. Palautussuhde on 3 ja syöttö kehumspsteessä. Montako deaalaskelta erotukseen tarvtaan? Pentaan-heptaan seoksen suhteellnen hahtuvuus tslausolosuhtessa on 2,65. Prretään ensn kuvaan tasapanokäyrä suhteellsen hahtuvuuden avulla. Prretään stten kolonnn yläosan käyttövva halutun tsleen ptosuuden ja käytettävän palautussuhteen avulla. Prretään syöttösuora (syöttö kehumspsteessä olevaa nestettä, el q=1). Yläosan käyttövvan ja syöttösuoran lekkauspsteestä saadaan tonen alaosan käyttövvan pste, ja tonen on pohjatuotteen ptosuus dagonaallla. Porrastamalla käyttövvan ja tasapanokäyrän välllä saadaan non 6 deaalaskelta. Tasapanokäyrä, käyttövvat, syöttösuora ja porrastus on estetty seuraavassa kuvassa. Huomaa, että tsleen ptosuus porrastuksessa menee heman yl asetetun tsleen ptosuuden. Mkäl kolonnssa ols 6 deaalaskelta, käytetyllä palautussuhteella tsle ols heman vaadttua puhtaampaa. Tonen vahtoehto ols säätää puhtaus haluttuun arvoon palautussuhdetta heman penentämällä. Ideaalaskelten lukumäärä 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 nesteen ptosuus Tyypllsest käytettävän numeronnn mukaan pohja 1 on lauhdutn, el porrastuksen yln vaakavva, jossa höyry y = x D lauhdutetaan nesteeks. Kehutn on pohja numero 7. Pohja on ss yks enemmän kun erotusaskela. Joskus nätä kästtetä käytetään sekasn. 23
Vakka kolonneja e käytännössä suunntella nykyään tällasella porrastuksella, auttaa McCabe- Thele -menetelmän hahmottamnen arvomaan tslauksen vakeutta. Suunnttelja vo tasapanokäyrän nähdessään yhdellä slmäyksellä arvoda, onko tslaus helppo va vakea, mhn ptosuuksn ast tslauksella mahdollsest päästään helpost ja mnkälasta palautussuhdetta on käytettävä. Suur palautussuhde merktsee suurta energankulutusta koska palautettava neste kulkee kolonnssa edes takasn kehuttmen ja lauhduttmen välllä. Suur pohjaluku merktsee suura nvestontkustannuksa, koska kolonnsta tulee korkeamp. 4.2 Hahdutus Hahdutuksessa luoksesta höyrystyy jotan komponentteja, jollon raskaat komponentt väkevötyvät jäljelle jääneeseen luokseen. Hahdutus mustuttaa jossan määrn tslausta, mutta termä hahdutus käytetään usen sllon, kun väkevötävänä on jotan käytännössä täysn hahtumattoma komponentteja, kuten suoloja. Tällön höyry on puhdasta luotnta. Hahduttmet ovat usen rakennettu sten, että nssä on pystysuora putka, jota ptkn neste valuu alaspän ja samalla osa stä höyrystyy. Tonen ylenen hahdutnratkasu on sellanen, mssä neste ja höyry vrtaavat ylöspän. Seuraavassa kuvassa on estetty ptkäputkhahdutn, joka on eräs tyypllnen hahdutntyypp. Syöttö vrtaa syöttösälöstä pystyputkea ptkn nestemäsenä okealla olevaan lämmönsrrnosaan jossa se nousee kehutnputka ptkn samalla höyrystyen. Näden putken tosella puolella on hahdutettavan nesteen kehumspstettä kuumempaa höyryä jollon hahdutettava neste osttan kehuu. Syntynyt neste-höyryseos johdetaan erotussälöön vasemmalla ylhäällä. Erotussälöstä postetaan syntynyt höyry. Tässä erotussälöön johdetaan myös lamea nestesyöttö. Väkevöty neste postetaan kerrosta nestemäsenä kuvassa alhaalla. Kuvan hahduttmessa nesteen vrtaus saadaan akaan kehumsessa syntyven kuplen avulla samaan tapaan kun perntesessä kahvnkettmessä. Tällasta kutsutaan myös termosfonks ta luonnonkertoseks hahduttmeks, mutta kertoa vodaan tehostaa myös pumpulla. Vastaava ratkasuja käytetään myös tslauskolonnen pohjankehuttmna. 24
Mkäl hahdutettava neste on hyvn vskoosa, vodaan sen lämmönsrtoa tehostaa myös erlaslla hahdutusputken ssällä pyörvllä kaapmlla. Tällaset ratkasut ovat luonnollsest kallmpa kun luonnonkertoset hahduttmet. 4.2.1 Monvahehahduttamot Putken tosella puolella teollsssa hahduttmssa on tyypllsest lämmttävä höyry. Usen hahduttmet kytketään sarjaan sten, että ensmmäsestä vaheesta syntyvä höyry käytetään seuraavan vaheen lämmtykseen. Tällön säästetään latokseen syötettävän tuoreen lämmtyshöyryn tarpeessa. Seuraavassa kuvassa on estetty kolmvahenen hahduttamo, jossa neste ja höyry kulkevat samaan suuntaan (vaheesta I vaheeseen III). Neste vodaan myös syöttää vaheeseen III ja pumpata seltä akasempn vahesn. Hahdutettava luos syötetään kuvassa ykskköön numero I, jonne myös prmäärhöyry syötetään. I ykskön höyry-neste erotuksesta tuleva nestevrta jaetaan kahteen osaan, josta tonen kertää lämmönsrtmeen ja osa jatkaa ykskön II höyrystyskertoon. Vaheessa I hahtunut höyry johdetaan ykskön II höyrypuolelle. Vastaavast II yksköstä postuva väkevöty luos ja hahtunut höyry johdetaan III ykskköön. Kytkentä on nmeltään myötäkytkentä; höyryt ja väkevödyt luokset vrtaavat samaan suuntaan. Yksköden paneet ja lämpötlat penenevät samansuuntasest T1>T2>T3 ja p 1>p 2>p 3. Latteston vmeseen ykskköön on kytketty vakuumpumppu ja lauhdutn. Järjestelmä e tarvtse pumppuja hahdutnyksköden välssä, koska sekä väkevötävä luos että höyry vrtaavat yksköhn, jossa on alemp pane. Huomaa, että useamman hahdutusvaheen myötäkytkentä e tarkota samaa kun useamman aneensrtoaskeleen myötäkytkentä. Aneensrtoaskeleden myötäkytkennässä ensmmäsen askeleen jälkeen e tapahdu mtään sllä vrrat ovat tasapanossa jo ensmmäsen askeleen jälkeen. Hahdutuksessa joka vaheessa hahtuu lsää luotnta edellsen vaheen höyryn lauhtuessa. Usen hahdutuksessa anakn vmeset vaheet tomvat alpaneessa kehumslämpötlan alentamseks. Lämpötlan alenemsella on kaks hyvää puolta: lämpöherkät hahtumattomat aneet evät hajoa nn helpost ja matalamplämpönen (ts. alemman paneen) prmäärhöyry rttää lämmttämään seosta. Alemppanenen prmäärhöyry (latoksen käyttöhyödyke) on halvempaa ja latteden suunnttelupaneet ovat myös alemmat. Korkeat suunnttelupaneet johtavat yleensä kallmpn rakentesn. 25