REKTIFIKATION. 1. Voraussetzung. 2. Zielsetzung

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1 Universität Linz Rektifikation REKTIFIKATION 1. Voraussetzung 2. Zielsetzung Die Rektifikation, ein industriell angewendetes Verfahren der flüssig-flüssig Trennung, ist dem Gebiet der thermischen Verfahrenstechnik zuzuordnen. Im Mittelpunkt des Versuches zur Rektifikation steht das Verständnis des Prinzips und des thermodynamischen Hintergrundes der Rektifikation. Die gewonnenen Kenntnisse über die Funktionsweise einer Rektifizierkolonne und ihrer spezifischen Einflussparameter sollen auf die praktische Anwendung übertragen werden. Ausgehend von einer konkreten Trennaufgabe soll die zur Trennung erforderliche theoretische Bodenzahl bestimmt und die Rektifikation an einer Füllkörperkolonne durchgeführt werden. 3. Einleitung Die Rektifikation gehört zu den wichtigsten thermischen Trennverfahren in der industriellen Praxis. Sie wird sowohl für die Stoffaufbereitung, die Gewinnung von Rohstoffen (Petrolchemie), zur Stoffaufbereitung, zur Reinigung von Reaktionsprodukten oder zur Aufarbeitung und Reinigung von Lösungsmitteln innerhalb eines Verfahrens genutzt. Homogene Flüssigkeitsgemische werden im industriellen Maßstab vorwiegend durch thermische Trennverfahren (Extraktion, Destillation, Rektifikation) zerlegt. Flüssigflüssig Extraktionen basieren auf der unterschiedlichen Löslichkeit der Komponenten gegenüber einem Lösungsmittel. Bei der Trennung auf Grund des unterschiedlichen Siedeverhaltens der Komponenten kommen als Trennverfahren die Destillation und die Rektifikation in Frage. Als Destillation wird die einfache Trennung eines Flüssigkeitsgemisches durch Teilverdampfung des Gemisches und anschließende Kondensation des Gemischdampfes bezeichnet. Der entstehende Dampf, der sich aus den verschiedenen Komponenten der zu trennenden Lösung zusammensetzt, wird in einem Kondensator niedergeschlagen. Im Anschluss wird das flüssige Kondensat aufgefangen. Die Trennwirkung Institut für Verfahrenstechnik 1 File/Skripten/VTP-1 VT-Praktikum WS

2 beruht auf der unterschiedlichen Zusammensetzung der siedenden Flüssigkeit und des gasförmigen Dampfes. Die Rektifikation stellt eine Weiterentwicklung der Destillation oder eine Hintereinanderschaltung vieler Destillationsschritte dar. Die wesentlichen Vorteile der Rektifikation sind, dass die Anlage kontinuierlich betrieben werden kann und dass der Trenneffekt im Vergleich zur Destillation um ein vielfaches höher ist, da der Dampf im Gegenstrom mit der Flüssigkeit mehrfach hintereinander in Kontakt steht. Die Kolonne arbeitet energetisch günstiger, technisch weniger aufwändig und benötig wenige Platz als eine Hintereinanderschaltung von Einfachdestillationen. Die Kontaktfläche zwischen der Dampf- und Flüssigphase wird durch Einbauten (z. B. Glockenböden, Füllkörper, Packungen) bereitgestellt. Bei der Rektifikation kommt es darauf an, eine möglichst große Destillatmenge in hoher Reinheit bei möglichst geringen Kosten zu erhalten. Die Rektifikation ist als thermisches Trennverfahren ein energieintensives und damit teures Verfahren. Eine von den Betriebskosten her wünschenswert hohe Destillatabnahme pro Zeit (kleines Rücklaufverhältnis) kann nur mit einer sehr hohen Kolonne (große Bodenzahl) erreicht werden, deren Ausführung die Investitionsmittelaufwand und in Folge die Abschreibungen beeinflusst. Es gilt ein Optimum aus Rücklaufverhältnis (Betriebskosten) und Kolonnenbodenzahl (Investitionskosten) für die jeweils gegebenen Trennaufgaben zu finden. Größe und Fahrweise von Rektifizierkolonnen sind von der Art des zu trennenden Gemisches und von den Anforderungen, die an den Reinheitsgrad der Endprodukte gestellt werden, abhängig Graphische Bestimmung des Trennaufwandes Eine wichtige Aufgabe bei der Auslegung einer Rektifizieranlage für eine bestimmte Trennaufgabe ist die Bestimmung der Anzahl der dafür notwendigen Rektifizierböden (theoretische Bodenzahl). Zur Bestimmung des Trennaufwandes verwendet man das aus dem Phasendiagramm hervorgegangene McCabe Thiele Diagramm. Die Bestimmung des Trennaufwandes nach einem graphischen Verfahren von Mc- Cabe und Thiele ist unter folgenden Bedingungen möglich: die Gleichgewichtskurve im gesamten, zu betrachtenden Konzentrationsbereich oberhalb der Diagonalen liegt die Verdampfungswärmen der Komponenten gleich sind die Kolonne adiabatisch arbeitet (keine Wärmeverluste) Ein praktischer Boden arbeitet dann ideal, wenn sich in seinem Bereich die Einstel- Institut für Verfahrenstechnik 2 SkriptenVTP-1

3 lung des thermodynamischen Gleichgewichtes zwischen beiden Phasen vollzieht. Die Gleichgewichtseinstellung ist dann erreicht, wenn die auf dem Boden befindliche und vom Boden herabfließende Flüssigkeit mit dem vom Boden aufsteigenden Dampf im Gleichgewicht steht, d.h. wenn die Konzentrationen von G 4 und R 3 auf der Gleichgewichtskurve liegen (Abb.1). In diesem Falle wären theoretischer und praktischer Boden identisch. Ein theoretischer Boden ist definiert als ideal arbeitende Kolonneneinheit, in der sich das thermodynamische Gleichgewicht zwischen Flüssigkeit und Dampf vollständig einstellt. Da sich das Gleichgewicht auf den praktischen Böden nicht vollständig einstellt, ist die theoretische Bodenzahl immer kleiner als die praktische. Setzt man beide Bodenzahlen ins Verhältnis, dann erhält man das Verstärkungsverhältnis S oder den Bodenwirkungsgrad. Diese Größen sind somit ein Maß für den Kolonnenwirkungsgrad und liegen häufig zwischen 0.5 und 0.8. Abb. 1: Rektifikationsprozess nach McCabe-Thiele für unendlichen Rücklauf R 4 Destillatzusammensetzung Die Bestimmung der theoretischen Bodenzahl kann auf der Grundlage des McCabe- Thiele-Diagramms erfolgen, das aus der Gleichgewichtskurve erhalten werden kann. Die detaillierten Konstruktionen der Arbeitsgeraden und Schnittpunktgeraden sind im Vorlesungsskriptum dargestellt [1] und sind zur Vorbereitung aus diesen Unterlagen und aus den angegebenen Literaturstellen zu entnehmen. Die Berechnung der q Werte für die Schnittpunktsgerade, insbesondere was die Zulaufsituationen betrifft, da vorgesehen ist die Mischung ohne Vorheizung der Kolonne zuzuführen. Institut für Verfahrenstechnik 3 SkriptenVTP-1

4 Abb. 2 : Verstärkungsgerade im McCabe-Thiele Diagramm Abb. 3: Arbeitsgeraden im McCabe-Thiele Diagramm Institut für Verfahrenstechnik 4 SkriptenVTP-1

5 Als Gleichung der Schnittpunktsgeraden (Bild 2) soll zur Auswertung folgende verwendet werden: y = f 1 f x 1 f 1 Hierin ist f der kalorische Faktor und entspricht dem Anteil der siedenden Flüssigkeit des Feedstroms. Bei f = 1 liegt der Feedstrom im Siedezustand vor, f < 1 bedeutet, dass der Feed als zweiphasiger Nassdampf vorliegt, oder bei f < 0 als überhitzter Dampf. Werte von f > 1 ergeben sich, wenn der Feedstrom eine Temperatur unterhalb der Siedetemperatur besitzt, wie dies auch in der praktischen Übung vorgesehen ist. Der Feedstrom wird aus der bei Raumtemperatur lagernden Vorlage mittels der Feedpumpe entnommen. Die dabei resultierende Schnittpunktsgerade ist für die jeweilige Feedkonzentration bei der zu messenden Feedtemperatur zu bestimmen und in das McCabe/Thiele-Diagramm (EXCEL-Tabelle) auf Basis eines Punktes und dem Anstieg der Geraden einzutragen. x F f = 1 + h V,1 f = 1 + h F, S h c ( ) p, m ϑ F, S ( ϑ ) w + ( ) 1, S F,1 V,2 ϑ 2, S w h h V, F F,2 F f = 1 + h V,1 c ( ) p, m ϑ F, S ϑ F ( ϑ ) w + ( ) 1, S F,1 V,2 ϑ 2, S w h F,2 h F, S spez. Enthalpie des Feedstroms im Siedezustand (Feedstelle) h F spez. Enthalpie des Feedstroms im Feedzustand C p [kj/kg K] 0 C 20 C 50 C 100 C EtOH 2,253 2,398 2,673 (3,304) H2O 4,219 4,185 4,18 4,216 h V [kj/kg] 0 C 20 C 50 C 100 C EtOH 957,4 929,9 885,4 799,5 H2O ,9 2382,6 2257,3 Institut für Verfahrenstechnik 5 SkriptenVTP-1

6 4. Aufgabenstellung In methodischer Weise ist aus der gemessenen Trennleistung der Kolonne bei vollständigem Rücklauf zunächst die Zahl der theoretischen Trennstufen zu bestimmen. Für die Bestimmung der Trennstufen ist das McCabe-Thiele-Verfahren zu verwenden. Experimentell soll für diese Packungskolonne die Trennleistung für ein vorgegebenes binäres Gemisch bei zwei kontinuierlichen Betriebsbedingungen festgestellt werden. Die Gleichgewichtsdaten des binären Gemisches sind aus dem Anhang bzw. aus der Literatur zu entnehmen. Einzelheiten zur Aufgabenstellung Mit Hilfe einer Packungskolonne soll das System Ethanol/Wasser rektifiziert werden und aus der Trennleistung der Kolonne die Trennstufenzahl und die Höhe einer theoretischen Trennstufe für den Verstärkungs- und Abtriebsteil der Packungsschicht aus Glasringen bestimmt werden. Dabei ist einmal die Trennleistung der Packungsschicht aus der Analyse von Kopf- und Sumpfprodukt der Kolonne bei Betrieb unter vollständigem Rücklauf zu bestimmen. Die Ergebnisse dieses Versuchs werden schließlich für zwei weitere Betriebspunkte der Kolonne mit kontinuierlicher Rektifikation und endlichen Rücklaufverhältnis verglichen. Hierbei ist die tatsächlich erreichte Trennleistung der Kolonne (Zusammensetzung des Kopf- und Sumpfproduktes, Stoffmengenströme an Kopf- und Sumpfprodukt) für die jeweils vorgegebene Heizleistung mit der Vorausberechnung nach dem McCabe-Thiele-Verfahren zu vergleichen. 5. Versuchsdurchführung Die Versuche zur Rektifikation eines Ethanol/Wasser-Gemisches werden mit einer Packungskolonne mit beheizter Manteloberfläche durchgeführt, die aus einem Verstärkerteil (H S = 0,35 m) und einem Abtriebsteil (H A = 0,85 m) besteht (Prozessfließbild siehe Bild 1). In der Kolonne sind die vier für die Auswertung der Messdaten wichtigen Temperaturmessstellen (Widerstandsthermometern Pt100) 600, 602, 604, 605 zu verwenden, deren Messwerte am Display des lokalen Steuerungsteils abgelesen werden können. Die Kühlung ist für den Kondensator mit maximalem Kühlwasserstrom eingestellt und der Sumpfüberlauf in Richtung Zwischenvorlage freigegeben. Vor dem Einschalten der Sumpfheizung ist darauf zu achten, dass der Kolonnensumpf bis zum Überlauf gefüllt ist. Die Kolonne wird ausschließlich vom Betreuer in Betrieb genommen und der Leistungs-Sollwert für die Heizung ebenso dabei eingestellt; diese Einstellung bleibt während des gesamten Versuchstages unverändert. Institut für Verfahrenstechnik 6 SkriptenVTP-1

7 Der Rücklaufteiler wird über einen Elektromagnet getaktet und die ausgewählten Taktzeiten können für Rücklauf- ( PAUSE ) und Produktionszeit ( ARBEIT ) in s über das OP7 der Steuerung eingegeben werden. Kopfprodukt kann bei vollständigem Rücklauf kurzzeitig durch Änderung des Rücklaufverhältnisses von 1:180 (Entnahme- : Rücklaufzeit) auf 1:1 über die Destillatbeprobung abgenommen werden. Zur Erreichung eines stationären Betriebs in der Kolonne ist etwa ein Zeitraum von 60 Minuten nach dem Einschalten erforderlich. Während des Versuchbetriebes sind sämtliche Temperaturen Kühlwasserströme und Heizleistungen abzulesen und festgehalten. Bei jeder Umstellung müssen mindestens 30 Minuten zugewartet werden, um stationäre Verhältnisse zu erhalten. Auf der Protokollseite ist ein aktuelles Temperatur-Zeit-Diagramm für Sumpf-, Feed- und Kopftemperaturen einzurichten, um den erreichten stationären Zustand bestimmen zu können. Die Kühlwasservorlauftemperatur für den Kopfkondensator wird in einem Temperaturbereich um 2 C durch die zentrale Kühlanlage gehalten. Die gesamte Glasanlage ist mit der nötigen Vorsicht zu behandeln und es ist zu kontrollieren, dass an keiner Stelle der Anlage Gemisch austritt. Ein Zulaufgemisch (Feed), das im Praktikumsversuch aufzutrennen ist, wird in einer Vorlage von ca. 20 Liter für die Versuche zur Verfügung gestellt. Die vorgegebene Zulaufmischung wird als Vorlage für die Versuche verwendet. Als erstes wird die Kolonne bei vollständigem Rücklauf gefahren. Anschließend wird ein bestimmter Zulaufstrom für den Betrieb über die Zulaufpumpe eingestellt, die Zulauftemperatur (Messstelle 609) sowie ein erstes Rücklaufverhältnis vorgegeben. Der Sumpfüberlauf und der Destillatgeöffnet und die Kühlwasserpumpe für die Versorgung der Kühler für Destillat- und Sumpfprodukt eingeschaltet. Arbeitet die Kolonne stationär (Temperaturen im Sumpf, am Feedboden und im Kopf der Kolonne sind zeitlich konstant wird der Sumpf- und der Destillatablauf zu den Sammelbehältern auf den Waagen geöffnet. 6. Versuchsauswertung Allgemeine Angaben zur Versuchsauswertung Ermittlung der theoretischen Bodenzahl der Kolonne für min. 2 Betriebspunkte Erstellung der entsprechenden Massen-, Stoff- und Energiebilanz Institut für Verfahrenstechnik 7 SkriptenVTP-1

8 6.2.2 Details zur Versuchsauswertung Alle Messwerte der Rektifikations-Praktikumsübung sind im beiliegenden Excel-File: REK-WS13-GR-X.xls zu protokollieren und die jeweiligen Auswertungen in den darin vorgesehenen Blätter durchzuführen (Für X bitte Ihre Gruppennummer eintragen). Die Gleichgewichtsdaten für das Gemisch Ethanol/Wasser für die Erstellung des Gleichgewichtsdiagramms (Stoffmengenanteile Siedetemperaturen - Dichten) sind vorzubereiten (Literatur). Zulauf (Feed) F, x F Destillat D, x D Rücklauf R v, Rücklaufverhältnis Sumpfablauf S, x S Praktischer Teil der Berechnung einer Rektifikationskolonne: - minimale - minimale Bodenzahl für (x F, x S, x D ) - Minimales und optimales Rucklaufverhältnis V min, V Betr. - Lage und Zustand des Zulaufs - Massenbilanzen - Stoffbilanzen Abb.4: Stoffströme und Stoffflüsse - Wärmebilanzen Während des gesamten Praktikumsbetriebes sind im Protokollblatt die Temperaturen sämtlicher Messstellen, die jeweiligen Dichtebestimmungen der gezogenen Proben vom Feed, Kopf- und Sumpfprodukt einzutragen und daraus die Stoffmengenanteile der leichter siedenden Komponente im Feed, Kopf- und Sumpfprodukt über Dichtemessungen zu bestimmen. Aus der Trennleistung der Kolonne soll vorerst bei vollständigem Rücklauf die minimale Zahl der theoretischen Trennstufen mit Hilfe des McCabe-Thiele-Verfahrens bestimmt werden. In der Folge ist die Zahl der theoretischen Trennböden sowohl für den Verstärkungsals auch für den Abtriebsteil der Kolonne bei zwei unterschiedlichen Rücklaufverhältnissen zu bestimmen. Institut für Verfahrenstechnik 8 SkriptenVTP-1

9 Die Höhe einer theoretischen Trennstufe (HETP) in Verstärker- und Abtriebsteil soll ebenso bestimmt und in der Diskussion der Ergebnisse eingebunden werden. Ebenso sind die im kontinuierlichen Betrieb der Kolonne gewonnenen Messdaten wieder in das Excel-Protokollblatt mit den Ablesezeiten, Temperaturen sämtlicher Messstellen und Ablesungen der Waagen (Feed, Sumpf und Destillat) in Abständen von ca. 15 min einzutragen. Die Dichten von Kopf- und Sumpfprodukt werden aus dem über einen Betriebszeitraum von ca. einer Stunde abgezogenen Fraktionen bestimmt, woraus die Stoffmengenanteile der leichter siedenden Komponente im Kopfund Sumpfprodukt für die Auswertung zu ermitteln sind. Für die Betriebspunkte sind die Verstärkungs-, Abtriebs- und Schnittpunktsgeraden zu bestimmen und in das McCabe-Thiele-Diagramm zur Ermittlung der Trennstufen im Verstärkungs- und Abtriebsteil einzutragen. Für die Massen und Stoffflüsse sind ferner für die jeweiligen Rücklaufverhältnisse die Massen-, Stoff- und Wärmebilanzen zu erstellen und in dem vorgesehenen Blatt des Excel-Files einzutragen. 0 Verlust bzw Abweichung 0 g EtOH / h #DIV/0! 0,00 g H2O/h #DIV/0! 0W #DIV/0! Rektifikation kg/h Feed kg/h Destillat g EtOH / h 1 bar g EtOH / h g H2O/h g H2O/h W W kg/h Sumpf g EtOH / h g H2O/h W Abb. 5: Darstellung der Bilanzen für die gefahrenen Rücklaufverhältnisse Die Betriebsdaten der beiden gefahrenen Rücklaufverhältnisse und ihr Einfluss auch die Destillatqualität sind zu vergleichen und abschließend zu diskutieren. Das Ende der Versuche ist dem Betreuer zum Abfahren der Rektifikationsanlage zu melden und die Anlage, Analysengeräte und das Zubehör sind in sauberem Zustand abzugeben. Eventuelle Beschädigungen sind dem Betreuer ohne Verzug zu melden. Institut für Verfahrenstechnik 9 SkriptenVTP-1

10 7 Anhang 7.1 Physikalische Daten reiner Stoffe Ethanol Wasser Molmasse in g mol-1 46,07 18,02 Dichte in kg m ,7 (20 C) 998,19 (20 C) Siedetemperatur (1,013 bar) in C 78,4 100 Wärmekapazität in J g-1 K-1 2,398 4,183 (20 C) (20 C) Verdampfungsenthalpie in kj mol-1 42,84 20 C VDI-Wärmeatlas, 10. Auflage ,20 20 C Institut für Verfahrenstechnik 10 SkriptenVTP-1

11 7.2 Prozessfließbild der Rektifikationsanlage WKR WKV WKR WKV FIS TIS TIS R R15 TIS 604 FCV 501 MH1 R1 el. R4 TIS TIS TIS 602 TIS 601 MH2 HS 102 TIS l Behälter Waage el. R 6 R12.1 WI 614 R12.2 R12 R Formelzeichen P [Pa] Partialdruck X Molenbruch α relative Flüchtigkeit v Rücklaufverhältnis m [ml] Rücklaufmenge Indices A Stoff A 0 reine Komponente i Komponente i D Destillat R Rücklauf S Sumpf F Feed H A : Höhe des Abtriebsteils H S : Höhe des Verstärkungsteils : Stoffmengenstrom q : Thermischer Zustand v : Rücklaufverhältnis x : Stoffmengenanteil Institut für Verfahrenstechnik 11 SkriptenVTP-1

12 7.4 Beispiel einer Ausarbeitung und diverse Daten und Vorlagen: Rücklaufverhältnis Zeit Wert Verlust Abweibzw chung Spez. Energiebedarf Massenbilanz g EtOH / h #DIV/0! W/kg EtOH Energiebilanz g H2O/h #DIV/0! W #DIV/0! Produktqualität kg/h Feed Destillat #DIV/0! % EtOH g EtOH / h g EtOH / h g H2O/h g H2O/h W W Sumpf Stoffdaten Werte cp(h2o) 4,19 kj/kgk g EtOH / h cp (EtOH) 3,454 kj/kgk g H2O/h Hv (H2O) 41,6 kj/mol W Hv (EtOH) 39,2 kj/mol Zugeführte Wärme M (H2O) 18,02 g/mol Heizung W M (EtOH) 46,06846 g/mol Abgeführte Wärme Sumpf W Kühlwasser l/h T(Anfang) Destillat W T(Austritt) Feed W Heizleistung W Kühlung W Sumpfstrom 0,000 kg/h EtOH 0,000 kg/h Wasser Wärmeverlust W Destillatstrom 0,000 kg/h EtOH 0,000 kg/h Wasser Feedstrom 0,000 kg/h EtOH 0,000 kg/h Wasser Institut für Verfahrenstechnik 12 SkriptenVTP-1

13 7.5 Stoffdaten Institut für Verfahrenstechnik 13 SkriptenVTP-1

14 7.6 Tabelle: Werte bei Dichten von 20 C Institut für Verfahrenstechnik 14 SkriptenVTP-1

15 Institut für Verfahrenstechnik 15 SkriptenVTP-1

16 7.7 Literatur [1] Vorlesungsskriptum Verfahrenstechnik 1 SS 2007, Institut für Verfahrenstechnik, Universität Linz, Rektifikation S 1ff. [2] Hemming, Verfahrenstechnik, Kamprath-Reihe Technik, 5. Auflage, VOGEL-Buchverlag Würzburg 1989 [3] J. Gmehling, A. Brehm, Grundoperationen, Thieme Verlag, Stuttgart 1996, S [4] Grassmann, Widmer, Sinn, Einführung in die thermische Verfahrenstechnik, 3. Auflage, Walter de Gruyter Verlag, Berlin, New York 1997 [5] Ullmanns Encyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 2, Kapitel Destillation und Rektifikation Institut für Verfahrenstechnik 16 SkriptenVTP-1