Schematy aparatów uproszczonych oraz specjalnych
Aparaty, w których surowiec doprowadzany jest na szczycie lub na dole kolumny nazywa się kolumnami niepełnymi. Kolumny, w których surowiec wpływa na dole aparatu nazywa się kolumnami wzmacniającymi, a gdy dopływa w górnej części aparatu, to kolumnami odpędzającymi, stripperami lub przeparnicami.
Kolumna wzmacniająca
Surowiec wpływający na dół kolumny jest mieszaniną cieczy i pary. Na szczycie kolumny pracuje standardowy skraplacz wytwarzający orosienie. Destylat odpływający górą aparatu jest bardzo wzbogacony w składnik lotny (ważny jest skład destylatu). Na dole kolumny podgrzewacz surowca pełni rolę urządzenia wytwarzającego opary. W innym rozwiązaniu kolumna wyposażona jest w wyparkę i podgrzewacz surowca pozwala wprowadzać do kolumny wrzący surowiec.
Kolumna odpędowa
Kolumna odpędowa, inaczej stripper, przeparnica służy do uzyskiwania cieczy wyczerpanej o zadanym składzie składników lotnych (ważny jest skład cieczy wyczerpanej). Do kolumny podaje się ciekły surowiec, który jednocześnie pełni funkcję orosienia. Górą odbiera się cały strumień powstałych oparów. Na dole kolumny umieszczona jest standardowa wyparka.
Kolumna bez wyparki
Jeśli istnieje możliwość wytworzenia oparów w innym aparacie, to na dole kolumny nie stosuje się wyparki. Opary wprowadzane są na dole kolumny.
Kolumna baz skraplacza
W kolumnie bez skraplacza cała faza parowa jest destylatem, a orosienie stanowi ciekły surowiec wprowadzany do kolumny w jej górnej części.
Kolumna bez skraplacza i bez wyparki
Ciekły surowiec stanowi orosienie, strumień oparów wytworzonych w innym aparacie przepływa z dołu do góry, cały strumień oparów opuszczających kolumnę jest destylatem, a cały strumień ciekły opuszczający kolumnę jest cieczą wyczerpaną.
Gdy aparat wymaga zastosowania ogromnej liczby półek, to czasem konieczne jest jego dzielenie na części. Ustawione obok siebie poszczególne części wymagają odpowiednich połączeń i zastosowania dodatkowych pomp. Przykład podziału kolumny na dwie części podano na poniższym rysunku.
Surowiec wpływa do kolumny na dole aparatu w stanie jedno lub dwufazowym. Ważnym produktem jest bardzo dobrze oczyszczony składnik lekki (destylat). Skład cieczy wyczerpanej niewiele różni się od składu surowca.
Do kolumny wpływa strumień surowca S o składzie xf. Po podgrzaniu w ogrzewaczu surowca uzyskuje się ciecz lub mieszaninę dwufazową o składach xS, yS i entalpii iS. Do najniższej półki n z wyparki dopływa strumień oparów VW o składzie yW i entalpii i”W. Z półki n spływa strumień cieczy Ln o składzie xn i entalpii i’n. Na najwyższą półkę 1 spływa strumień orosienia O o składzie xO i entalpii i’O. Natomiast półkę 1 opuszcza strumień oparów V1 o składzie y1 i entalpii i”1.
Bilans dowolnej półki o numerze x można zapisać za pomocą równań bilansu ogólnego, bilansów dowolnego składnika i bilansu cieplnego.
Bilans ogólny wyparki różni się od powyższych równań i można go zapisać w postaci równań, w których przyjmijmy, że cały surowiec jest cieczą, tj. S = SL (SV = 0).
i dla
Po przekształceniach, w których przyjmuje się, że: , i wprowadzeniu stosunku orosienia R można zapisać:
W celu obliczenia strumienia ciepła doprowadzanego do wyparki należy sporządzić bilans fragmentu instalacji otoczonego linią przerywaną na poniższym rysunku.
Bilans cieplny przybiera postać:
Po przekształceniach strumień ciepła odniesiony do jednostkowego strumienia cieczy wyczerpanej można wyrazić za pomocą zależności:
Analizując powyższą zależność można stwierdzić, że wzrost entalpii surowca zmniejsza zużycie ciepła w wyparce i oczywiście najmniejsze zużycie ciepła w wyparce będzie dla surowca dostarczanego w postaci pary.
Interpretację pracy tej kolumny można przedstawić na wykresie y = f(x).
Kolumna odpędzająca
Surowiec wpływa do kolumny na jej szczycie i pełni rolę orosienia. Temperatura surowca jest co najwyżej równa początkowej temperaturze wrzenia. Temperatura ta jest niższa niż temperatura fazy ciekłej równowagowej do składu oparów opuszczających szczyt kolumny. Mówiąc inaczej opary ze szczytu kolumny mają trochę wyższą temperaturę i trochę mniej składnika lotnego niż wynika to z równowagi z ciekłym surowcem. Skład surowca jest zbliżony do składu surowca, a w całym procesie istotny jest skład cieczy wyczerpanej.
Dla roztworu dwuskładnikowego warunki pracy kolumny można zapisać w postaci nierówności:
Odpowiednie oznaczenia podano na schemacie
Kolumna pracuje bez orosienia szczytowego, więc stosunek orosienia wynosi R = 0.
Bilans ogólny całej kolumny można zapisać równaniem
Bilans ogólny kolumny bez skraplacza przybiera postać
Równanie linii operacyjnej przyjmuje postać identyczną z równaniem linii operacyjnej dolnej części pełnej kolumny rektyfikacyjnej, tj.
Bilanse cieplne są odmienne i przyjmują postać
więc
Na dole kolumny
Strumień orosienia wewnętrznego spływającego z dolnej półki o numerze x wynosi:
Orosienie wewnętrzne dopływa do półki m-tej i można je obliczyć z równania
Opary, które wpływają do skraplacza są w całości odbierane jako destylat. Bilans cieplny skraplacza można zapisać jako:
lub
dla
otrzymuje się
Interpretację graficzną pracy kolumny odpędzającej można pokazać na wykresie y=f(x).
Na wykresie nanosi się linię operacyjną kolumny oraz linię operacyjną przekroju pomiędzy kolumną i skraplaczem postaci:
,
a także linię operacyjną wyparki postaci:
Wszystkie te trzy linie przecinają się w jednym punkcie (W) leżącym na przekątnej wykresu. Jeśli strumień orosienia , to linie te pokrywają się.
Kolumny bez wyparki stosuje się szczególnie przy rozdestylowywaniu roztworów wodnych. Kolumna jest wówczas zasilana na dole strumieniem fazy gazowej Vo w stanie nasycenie lub w stanie przegrzanuia ewentualnie czystą parą wodną. Surowiec wpływa do kolumny na pewnej wysokości. Schemat pracy takiego aparatu pokazano na poniższym rysunku.
Bilanse kolumny mają postać:
gdzie:
W każdym z równań jest więcej niewiadomych niż dla zestawu normalnego. W procesie projektowania należy założyć dwie z trzech niewiadomych. W przypadku mieszaniny dwuskładnikowej wystarczy założyć strumień Vo oraz czystości produktów zD i xW, stąd można obliczyć wartości oraz . Po przekształceniu równań bilansowych otrzymuje się wzory:
(*)
Z równań oznaczonych (*) wynika, że strumienie produktów zależą nie tylko od strumienia S i Vo, ale także od stanu termodynamicznego wszystkich strumieni. Szczególnie ważna jest entalpia iV. Jeśłi entalpia iVù, to także strumień Dù, natomiast strumień W÷.
Stężenie cieczy wyczerpanej musi spełniać warunek:
gdy , wtedy .
Równanie linii operacyjnej górnej części kolumny bez wyparki ma standardową postać, natomiast dla dolnej części kolumny piszemy:
Wykorzystując te równania można napisać:
Interpretacja graficzna przedstawiona jest na wykresie:
konto.anonimowe.xxx