Abstrakt česky - Vysoká škola chemicko

VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ V PRAZE
Fakulta chemicko-inženýrská
Ústav chemického inženýrství
Disertační práce
STUDIUM MEZIFÁZOVÉHO TRANSPORTU TEPLA A HMOTY
V PLNĚNÝCH DESTILAČNÍCH A ABSORPČNÍCH KOLONÁCH
Autor: Lukáš Valenz
Školitel: Doc. Ing. Václav Linek CSc.
Studijní program: Chemické a procesní inženýrství
Studijní obor: Chemické inženýrství
Praha 2009
Souhrn
Destilace a absorpce jsou obdobné procesy mezifázového přenosu hmoty a tepla na
výplni. Ovšem jejich popis stejnou sadou modelů s identickými parametry selhává. Pro
spolehlivé návrhy obou procesů a vytvoření společných korelací je nezbytné vycházet nejen
z absorpčních koeficientů, ale i z koeficientů přestupu hmoty změřených za podmínek
v destilačních kolonách. Měření transportních charakteristik přímo v destilačních kolonách je
obtížné, protože při destilaci není možné vhodnou volbou destilačního systému soustředit
odpor vůči přenosu hmoty do jedné fáze a měřit tak odděleně koeficienty přestupu hmoty
v jednotlivých fázích, tak jako je tomu při absorpci. Pro stanovení objemových koeficientů
přestupu hmoty z destilačních experimentů byla na našem pracovišti vyvinuta „profilová
metoda“. Tato metoda je založená na proložení experimentálních koncentračních profilů
podél destilační kolony profily vypočtenými z rychlostního modelu destilace.
Rychlostní model destilace je založen na látkových a entalpických bilancích a
přenosových rovnicích tepla a hmoty v diferenciálním objemu kolony. Model je odvozen za
následujících předpokladů: 1) proces je v ustáleném stavu, 2) konstantní tlak podél kolony, 3)
hydrodynamika toku fází je popsána modelem pístového toku nebo pístového toku s axiální
disperzí, 4) rychlost přenosu tepla mezi fázemi je tak intenzívní, že zajistí, aby kapalina měla
teplotu bodu varu a pára teplotu rosného bodu, 5) tepelné ztráty kolony jsou zanedbatelné,
tudíž lze předpokládat adiabatické chování kolony, 6) nulový odpor na fázovém rozhraní,
tudíž je uvažována rovnováha fází na fázovém rozhraní, 7) mezifázové plochy přenosu tepla a
hmoty jsou stejné, 8) kapalina vystupující z kondenzátoru je do kolony přiváděna při svém
bodu varu, 9) nekonečný poměr zpětného toku (totální reflux).
Pro použití modelu pístového toku s axiální disperzí je nutné znát hodnoty koeficientů
charakterizující míru promíchávání v kapalné nebo plynné fázi ve formě efektivního
koeficientu axiální disperze nebo ve formě bezrozměrného kritéria. Z nedostatku literárních
dat o axiální disperzi v kapalné fázi a v podstatě neexistence literárních dat o axiální disperzi
v plynné fázi na použitých typech výplní za hydraulických podmínek obvyklých
v destilačních kolonách, vyplynula potřeba jejich experimentálního stanovení. Dynamickým
experimentem se stopovací látkou (skoková změna) byly stanoveny hodnoty Bodensteinova
kritéria v kapalné i plynné fázi na výplních Intalox sedla 25mm a Mellapak250Y. Jako
stopovací látka byl v kapalné fázi použit roztok chloridu sodného a helium v plynné fázi.
Výsledné hodnoty Bodensteinova kritéria v obou fázích a pro oba typy výplní byly proloženy
vztahy navrženými autory Macías-Salinas a Fair (2000), které byly pak použity do
rychlostního modelu destilace.
Závislost objemových koeficientů přestupu hmoty na změně fyzikálně-chemických
vlastností směsí a rychlostech toku fází podél kolony byla vystižena modely publikovanými
autory Rocha a kol. (1996), Bilet a Schultes (1999), Olujic a kol. (2004) a Onda a kol. (1968).
Násobné empirické konstanty v těchto modelech nebyly převzaty z původních prací, ale byly
použity jako parametry modelu a optimalizovány tak, aby vypočtené koncentrační profily
z rychlostního modelu destilace co nejlépe prokládaly experimentální koncentrační profily.
Cílem profilové metody je stanovit optimální hodnoty parametrů, ze kterých jsou následně
vypočteny lokální hodnoty transportních charakteristik.
Koncentrační a teplotní profily kapalné a parní fáze byly naměřeny na ocelové
atmosférické destilační koloně s vyneseným cirkulačním vařákem a čtrnácti odběrovými
místy podél kolony, která umožňují měřit současně koncentrace a teploty kapalné (7 míst) a
parní (7 míst) fáze v daném průřezu. Experimenty byly provedeny na dvou typech moderních
výplní na sypané výplni Intalox sedla 25mm a strukturované výplni Mellapak250Y a se třemi
organickými systémy: metanol-etanol, etanol-propanol a metanol-propanol.
Pro všechny tři systémy byly profilovou metodou nalezeny optimální hodnoty
parametrů modelu. S těmito parametry vypočtené koncentrační profily prokládaly nejlépe
experimentální koncentrační profily pro systém metanol-etanol a nejhůře pro systém metanolpropanol. Experimentální koncentrační profily jsou až třikrát lépe proloženy při vyhodnocení
s předpokladem pístového toku s axiální disperzí než s předpokladem pístového toku.
Experimentálně stanovené hodnoty axiální disperze dobře vystihují koncentrační odskok na
jednom řezu na výplni podél celé destilační kolony a tedy hydrodynamiku toku fází na
strukturované výplni lze úspěšně popsat předpokladem pístového toku s axiální disperzí.
Axiální disperze naměřená na sypané výplni neodpovídá koncentračnímu odskoku
experimentálních koncentrací na jednom řezu na výplni zvláště v horní části destilační kolony
a popis toku fází pístovým tokem s axiální disperzí se na sypané výplni nejeví jako optimální
model.
Objemové koeficienty přestupu hmoty získané profilovou metodou s předpokladem
pístového toku s axiální disperzí se lépe shodují s vypočtenými koeficienty z literárních
modelů a vykazují očekávanější závislost na průtocích fází, než koeficienty získané
profilovou metodou s předpokladem pístového toku.
Často používaný předpoklad zanedbatelného odporu kapalné fáze při destilaci je
nesprávný a odpor kapalné fáze se pohybuje v závislosti na použitém systému a koncentraci
od 10% do 70% z celkového odporu proti prostupu hmoty. Odpor kapalné fáze při
vyhodnocení s předpokladem pístového toku s axiální disperzí je pro Mellapak250Y o 10% a
pro Intalox sedla 25mm až o 30% nižší než při vyhodnocení s předpokladem pístového toku.