Simulazione rigorosa su colonna - SCDS

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1 Simulazione rigorosa su colonna - SCDS Esposizione del problema e principio di risoluzione: Una rettifica può essere rappresentata in modo realistico con una rigorosa simulazione su colonna. È possibile simulare miscele ideali e reali. Con un bilancio piatto per piatto avviene un calcolo dettagliato della colonna di rettifica che fornisce risultati precisi. In CHEMCAD sono disponibili due tipi di colonne rigorose: TOWR e SCDS. Di seguito viene presentata la colonna SCDS. In questo tutorial viene analizzata una miscela a tre componenti costituita da benzene, acetone e cicloesano. Questa miscela deve essere separata mediante rettifica per ottenere quindi benzene puro a circa il 99% molare. Inoltre si deve riottenere almeno il 99 % molare del benzene introdotto nel feed. Nella colonna viene data una miscela costituita dal 64% molare di acetone, 18% molare di benzene e cicloesano. La simulazione viene eseguita con una colonna SCDS in CHEMCAD. Figura 1: Diagramma di flusso colonna SCDS Seite1 von 16

2 Trasferimento della simulazione SCDS in CHEMCAD: La simulazione viene eseguita con CHEMCAD Steady State. Prima della simulazione devono essere selezionati i componenti e il modello termodinamico. Sotto "Thermophysical:Select Components" vengono selezionati i componenti benzene (CAS-Nr.: ) e acetone (CAS-Nr.: ) e cicloesano (CAS-Nr.: ). Il "wizard termodinamico" che si apre successivamente, propone un modello idoneo secondo la specifica della pressione e della temperatura. CHEMCAD consiglia per l'esempio indicato il modello di valore k (k-value Model) NRTL. Come modello di entalpia (Enthalpy Model) viene proposto LATE (Latent Heat). Questa selezione è una decisione preliminare del programma e dovrebbe essere sempre verificata dall'utente o definita con un albero di decisione ([3], Figure 8/9]. Dopo aver chiuso il wizard termodinamico si apre la finestra di NRTL Parameter (figura 2). Qui vengono elencati i parametri di interazione (BIP: Binary Interaction Parameter) di ogni possibile miscela a due componenti dei componenti precedentemente selezionati. Per l esempio indicato vengono elencate miscele a due componenti benzene/cicloesano e acetone/cicloesano. Mancano i dati per la miscela acetone/benzene. I dati NRTL mancanti devono essere forniti successivamente, in quanto altrimenti si suppone che il coefficiente di attività sia uno e avviene un calcolo ideale della rispettiva coppia di materiali [6, capitolo VLE]. I valori mancanti possono essere calcolati mediante UNIFAC e riportati successivamente. A tal fine vi sono tre opzioni diverse: UNIFAC VLE, UNIFAC LLE e modified UNIFAC. Figura 2: Finestra NRTL Parameter Set Per l esempio indicato vengono calcolati i dati mancanti mediante UNIFAC VLE e riportati successivamente. Se si ha una lacuna della miscela, è necessario selezionare UNIFAC LLE. Modified UNIFAC dovrebbe essere scelto per pressioni elevate e temperature elevate. Pagina 2 di 16

3 Prima di ogni simulazione è necessario analizzare il comportamento della miscela in maggior dettaglio per identificare possibili limiti della rettifica (es.: azeotropi, limiti di distillazione, lacune di miscibilità). Per identificare le lacune di miscibilità, si dovrebbe dapprima analizzare per ogni miscela binaria sotto Plot:TPXY il diagramma di equilibrio. Si stabilisce che non è presente alcuna lacuna di miscibilità. Una stima a grandi linee in riferimento alla miscibilità può essere effettuata anche attraverso la struttura molecolare. Se dovesse emergere una lacuna di miscibilità, si deve tuttavia scegliere sotto Global Phase Option (Thermodynamic Settings) l equilibrio vapore-liquido-liquido (opzione: Vapor/Liquid/Liquid/Solid). Sotto Plot: Residue Curves viene creata la curva residua (figura 3). Figura 3: Curva residua di una miscela a tre sostanze benzene, acetone e cicloesano La curva residua fornisce informazioni sugli azeotropi presenti e sui punti di ebollizione di questi e dei componenti puri. Nella figura 3 si può vedere che nella miscela a tre componenti vi sono due azeotropi e quindi sono riconoscibili i possibili limiti di distillazione. Nell esempio analizzato tra gli azeotropi binari si trova un limite di distillazione che non può essere superato con una rettifica. In seguito si formano due aree di distillazione, nelle quali possono essere ottenuti diversi prodotti di coda in funzione della composizione del feed. Il feed fornito (punto rosso) si trova nell area destra di distillazione. In quest area il bassobollente è l azeotropo costituito da cicloesano e acetone con una temperatura di ebollizione di 53,85 C. L azeotropo viene atteso come prodotto di testa. Il benzene è l altobollente (temperatura di ebollizione di 80,09 C) e viene estratto come prodotto di coda. Con la curva residua è possibile già a priori stimare il prodotto di testa e di coda e quindi scegliere parametri di rettifica sensati. Pagina 3 di 16

4 Tabella 1: Dati rilevanti per la simulazione Unità Componenti Termodinamica Flussi di feed SI Benzene Acetone Cicloesano Unit Operation K: NRTL, H: LATE 1 colonna SCDS 1 flusso di feed 2 flussi di prodotti Nel diagramma di flusso viene aggiunta la UnitOp (Unit Operation) per la colonna SCDS e questa viene dotata di un flusso di feed e di due flussi di prodotto. Il flusso di feed viene impostato liquido e in ebollizione con i dati indicati nella tabella 1 (figura 4). Figura 4: Finestra di impostazione feed Pagina 4 di 16

5 Come passo successivo viene inizializzata la colonna di rettifica. Sono necessari, oltre al numero di stadi e il piatto di alimentazione, anche i parametri di rettifica. Generalmente, all inizio il numero di stadi e il piatto di alimentazione non sono noti ma devono essere stimati in questa sede. Nel decorso successivo possono essere ottimizzati tramite un Sensitivity Study. In questo esempio viene preimpostato un numero di stadi di 30 e il piatto di alimentazione deve trovarsi alla metà, N=14 (figura 5). In CHEMCAD il condensatore e l'evaporatore contano di volta in volta come stadio indipendente. Si conta a scendere dalla testa verso la coda. Figura 5: Finestra di impostazione colonna SCDS Sulla base della curva residua è stato già stabilito che cosa attendersi per un prodotto di testa o di coda. Per verificare questa supposizione, è consigliabile dapprima simulare la colonna con riflusso infinito e valutare il comportamento della colonna di rettifica. Tra le specifiche viene posto come criterio di testa il rapporto di riflusso pari a Come criterio di coda viene scelto il flusso massico. A causa del rapporto di riflusso infinito, vengono estratti 1000 kg/h sul fondo. L impostazione del rapporto di riflusso sulla testa e di un flusso massico di coda in uscita sono le condizioni standard, con le quali si dovrebbe analizzare il comportamento di una colonna. In figura 6 sono mostrate le impostazioni. Pagina 5 di 16

6 Figura 6: Impostazioni della colonna di rettifica con riflusso infinito La colonna SCDS dovrebbe convergere per le impostazioni selezionate. Sotto Format: Add Stream Box è possibile far produrre da parte del programma una tabella di valori con le caratteristiche dei flussi (figura 7). Figura 7: Tabella dei valori dei flussi con rapporto di riflusso infinito Si può riconoscere che, come atteso, la testa (distillato) della colonna imposta l azeotropo. La frazione di benzene nella testa è assai bassa e viene quindi posta pari a zero. Poiché sulla testa non viene rimosso alcun prodotto, la composizione della coda (Bottom) è uguale alla composizione del feed. I risultati attesi che erano visibili già dalla curva residua, vengono confermati. Pagina 6 di 16

7 Nella fase successiva viene eseguita la simulazione con i parametri di rettifica desiderati. L obiettivo è ottenere un benzene quasi puro con il 99% molare e questo con una percentuale di recupero del 99%. Figura 8: Impostazione della colonna di rettifica per i criteri desiderati Per il criterio di coda viene indicata la frazione molare richiesta del benzene (bottom component mole fraction). Il 99% del benzene deve essere recuperato. In testa viene posta la percentuale di recupero (distillate component fraction recovery) del benzene pari all 1% (figura 8). La simulazione viene riavviata e i risultati presentati nella Streambox e nella UnitOpBox (figura 9). Si può riconoscere che viene raggiunta la purezza desiderata nella coda e più del 99% del benzene usato viene rimosso. In testa viene rimossa la miscela azeotropica. Con i parametri di rettifica indicati si calcolano un rapporto di riflusso di 3,26 e una potenza dell'evaporatore di 1595,77 MJ/h. Pagina 7 di 16

8 Figura 9: Caratteristiche dei flussi e della colonna dopo la simulazione Il numero di stadi e il piatto di alimentazione vengono stimati all'inizio. Tramite un Sensitivity Study è possibile calcolare il numero di stadi ottimale e il piatto di alimentazione ottimale. Per calcolare il numero di stadi ottimale viene riportata la potenza dell evaporatore rispetto al numero di stadi e individuato un minimo. Il numero di stadi viene variato da 5 a 50 calcolando per ogni stadio la potenza dell evaporatore (figura 10). Pagina 8 di 16

9 Figura 10: Impostazioni del Sensitivity Study per il numero di stadi ottimale Dopo l esecuzione del Sensitivity Study è possibile riportare i dati in un diagramma. Nella figura 11 è riportata la potenza dell evaporatore rispetto al numero di stadi. Tra gli stadi 5 e 16 si evidenziano problemi di convergenza. Dallo stadio 24 la potenza dell evaporatore assume un minimo costante. Figura 11: Influsso del numero di stadi sulla potenza dell evaporatore (Sensitivtiy Study 1) Pagina 9 di 16

10 Nelle caratteristiche della colonna il numero di stadi viene modificato ad essere pari a 24 e la simulazione viene riavviata. Come passo successivo viene stabilito il piatto di alimentazione ottimale. A tal fine viene creato un secondo Sensitivity Study. Il piatto di alimentazione cambia con l altezza della colonna e si analizza l influsso sul rapporto di riflusso. Come variabile viene scelto il piatto di alimentazione che varia dallo stadio 4 al 20. Come variabile dipendente viene impostato il rapporto di riflusso che viene calcolato per ogni stadio. In figura 12 è mostrata la relazione. Figura 12: Influsso dello stadio di alimentazione sul rapporto di riflusso È possibile riconoscere che il rapporto di riflusso assume un minimo intorno al numero di stadio 10. Minore è il rapporto di riflusso, minore è anche il consumo energetico della colonna. Per questo motivo l alimentazione del feed avviene allo stadio 10. Le impostazioni della colonna vengono riadattate e la simulazione avviata. È consigliabile verificare l entità dell influsso dello stadio di alimentazione sullo stadio di equilibrio all interno della colonna. Sotto Plot: UnitOp Plots: Column Profils è possibile tracciare l andamento della temperatura rispetto agli stadi (figura 13). Pagina 10 di 16

11 Figura 13: Andamento della temperatura all interno della colonna Allo stadio 10 si può riconoscere che lo stadio del piatto di alimentazione con la composizione del feed, ha un influsso ridotto sul profilo della temperatura all'interno della colonna. Lo stadio del feed viene quindi considerato ottimale. Pagina 11 di 16

12 Nella tabella 2 viene riassunta ancora una volta la procedura per inizializzare una colonna di rettifica rigorosa (colonna SCDS). Tabella 2: Riepilogo simulazione di una colonna SCDS Fasi di lavoro -Selezionare i componenti e il modello termodinamico [Thermophysical [Select Components]& [Themodynamics Wizard] -Tracciare la curva residua [Plot] [ResidueCurve] -Realizzazione del diagramma di flusso -Supposizione: numero di stadi e piatto di alimentazione -Impostazione di un rapporto di riflusso infinito ed estrazione completa sul fondo -Impostazione dei parametri di rettifica -Ottimizzare il numero di stadi con un Sensitivity Study [Run] [Sensitivity] -Determinazione del piatto di alimentazione con un Sensitivity Study [Run] [Sensitivity] Utilità/ Informazioni -Impostazione delle basi di calcolo -La scelta del modello termodinamico ha un influsso sostanziale sul calcolo -Visualizzazione di possibili azeotropi e limiti di distillazione -Determinazione del prodotto di testa e di coda atteso -Analizzare il comportamento della colonna -Calcolo della concentrazione di testa attesa -se il parametro di rettifica è ad esempio un azeotropo, è sensata una successiva approssimazione -sotto Convergence nella finestra di impostazione della colonna, è possibile usare l opzione Reload Column Profile per facilitare la successiva approssimazione -Ottimizzazione del numero di stadi con determinazione dell interazione tra la potenza dell evaporatore e il numero di stadi -Numero di stadi ottimale dal punto di vista economico a fronte di una potenza minima dell evaporatore -Determinazione della posizione del piatto di alimentazione calcolando la correlazione tra rapporto di riflusso e piatto di alimentazione -Piatto di alimentazione ottimale dal punto di vista economico a fronte di un rapporto di riflusso minimo Pagina 12 di 16

13 Valutazione Una rappresentazione delle caratteristiche dei flussi e della colonna è riportata in Format: Add Stream Box und Add UnitOp Box (figura 14). Figura 14: Risultati dopo la simulazione della colonna rigorosa Si può riconoscere che in testa viene separato l azeotropo formato da cicloesano e acetone. Il benzene viene prelevato solo in quantità molto ridotte. Sul fondo si ottiene benzene quasi puro. Dai risultati emerge che la potenza dell evaporatore poteva essere ridotta a 1355,03 MJ/h. Anche il rapporto di riflusso poteva essere ridotto a 2,58. Pagina 13 di 16

14 Basi di processo In questo tutorial viene analizzata la simulazione della colonna rigorosa SCDS in CHEMCAD. Nel calcolo delle colonne rigorose non vengono effettuate semplificazioni, come nel metodo Shortcut. Ogni piatto della colonna viene bilanciato singolarmente, per cui si crea un sistema di equazioni complesso che deve essere risolto con algoritmi numerici. La simulazione di colonna rigorosa è dispendiosa in termini di calcoli rispetto al metodo Shortcut, ma offre risultati chiaramente più precisi e meglio rispondenti alla realtà. Con la colonna Shortcut è possibile rappresentare in modo approssimativamente rapido le miscele ideali. Il problema tuttavia, è che tale metodo è inutilizzabile per le miscele non ideali, come ad esempio le miscele azeotropiche, in quanto non rispecchia la realtà nel calcolo a causa delle forti semplificazioni. Per questo motivo per le miscele non ideali viene utilizzata la simulazione rigorosa. La colonna SCDS è una delle colonne rigorose, utilizzabile in CHEMCAD. SCDS sta per Simultaneous Correction Distillation System. È un modello di colonna molto versatile che si adatta a tutti i processi di rettifica. Nel calcolo della colonna SCDS rigorosa, per ogni piatto di colonna si suppone uno stato stazionario tra la fase liquido-vapore o la fase liquido-liquido. Si considerano le seguenti supposizioni: 1) ogni piatto di colonna viene definito come area di bilancio in cui si imposta l equilibrio di fase. 2) non si verificano reazioni chimiche. 3) l'assorbimento di gocce di liquido nella fase gas e l inclusione delle bolle di gas nella fase liquida non vengono tenuti in considerazione. In figura 15 è mostrata l area di bilancio di uno stadio. con : flusso di vapore : flusso di liquido Stadio j Feed Figura 15: Area di bilancio semplificata di uno stadio all interno della colonna Pagina 14 di 16

15 Per quest area di bilancio vengono riassunte secondo il metodo MESH le equazioni di bilancio necessarie, rilevanti per la progettazione. MESH sta per Material balance (bilancio di materiale), Equilibrium (equilibrio), Summation condition (condizioni di somma) e Heat balance (bilancio termico). Per ogni piatto di colonna si ha quindi un complesso sistema di equazioni. Il calcolo matematico è molto dispendioso e per la soluzione sono necessari algoritmi di convergenza. Nella letteratura è disponibile un ampia scelta di proposte risolutive iterative per risolvere questi sistemi di equazioni algebriche non lineari. Algoritmi risolutivi generali che non hanno alcuna limitazione e sono sempre applicabili, sono il metodo Simultaneous Correction e il metodo Inside-Out. Essi possono essere applicati per tutti i tipi di colonne e tutte le composizioni del feed. Entrambi gli algoritmi vengono usati in CHEMCAD. Con il metodo Simultaneous Correction (SC) tutte le equazioni MESH e anche le loro combinazioni vengono risolte contemporaneamente con l ausilio del metodo iterativo di Newton-Raphson. Altre possibili applicazioni di SCDS sono: Simulazione di colonna con impaccamenti Simulazione di colonna con piatti speciali Processi di adsorbimento o assorbimento Pagina 15 di 16

16 La presente simulazione è stata creata in CHEMCAD Per ricevere ulteriori informazioni su tutorial, seminari o soluzioni inerenti CHEMCAD consultate il sito web. Oppure inviare una mail all'indirizzo: support@chemstations.eu oppure telefonare al numero : +49 (0) Autori: Lisa Weise Fonti: [1] Kister, Henry Z.: Distillation design. McGraw-Hill, 1992 [2] Gmehling, Jürgen: Kolbe, Bärbel: Kleiber, Micheal: Rarey, Jürgen: Chemical Thermodynamics for Process Simulation. Wiley-VCH Verlag, 2012 [3] Edwards, John: Process Modeling Selection of Thermodynamic Methods [4] Schmidt, Wolfgang: USER NRTL BIPS, 2011 [5] Sattler, Klaus: Thermische Trennverfahren: Grundlagen, Auslegung, Apparate. Wiley-VCH Verlag, S [6] CHEMCAD Hilfe [7] Seader; Siirola; Barnicki: Perry's Chemical Engineers' Handbook, Section 13 Distillation, 7th edition.mcgraw-hill, New York, (1997) [8] Kontogeorgis, Folas: Thermodynamic Models for Industrial Apllications, Wiley-VCH Verlag, 2010 Pagina 16 di 16