Shortcut Simulation Figura 1: Diagramma di flusso colonna shortcut

Transcript

1 Shortcut Simulation Presentazione del problema/definizione degli obiettivi: La simulazione con metodo shortcut delimita l'ambito operativo ottimale di una colonna di rettifica per miscele che si comportano in modo quasi ideale. I risultati sono da considerare solo come valori orientativi. Una simulazione su colonna dettagliata e la simulazione di miscele non ideali vengono eseguite utilizzando una simulazione su colonna rigorosa, ad es. SCDS. Il vantaggio della colonna shortcut è dato dalla delimitazione del campo di rapporti di riflusso e dal calcolo diretto del piatto di alimentazione. Se ne trae una rapida panoramica della soluzione nel suo complesso. In questo tutorial viene considerata una semplice miscela di due componenti, costituita da benzene e o-xilene. Questa miscela deve essere separata mediante rettifica, raggiungendo una purezza del benzolo minima del 99% in testa. Nella coda non si deve superare una concentrazione di benzene superiore all'1%. La simulazione avviene tramite colonna shortcut per determinare il rapporto di riflusso ottimale e il piatto di alimentazione. Figura 1: Diagramma di flusso colonna shortcut Trasferimento della simulazione con metodo shortcut in CHEMCAD: La simulazione viene eseguita con CHEMCAD Steady State. Prima della simulazione devono essere impostati i componenti e i modelli termodinamici. Sotto "Select Components" vengono selezionati i componenti benzene (CAS-Nr.: ) e o- xilene (CAS-Nr.: ). Il "wizard termodinamico" che si apre successivamente, propone un modello idoneo secondo la specifica della pressione e della temperatura. CHEMCAD propone per l'esempio indicato il modello di valore k (k-value Model) UNIFAC. Come modello di entalpia (Enthaply Model) viene proposto LATE (Latent Heat). Pagina 1 di 11

2 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]. Dapprima sotto [Plot] [TPXY] viene tracciato il diagramma T-x e il diagramma di equilibrio per analizzare il comportamento della miscela. Nel diagramma T-x è mostrata la lente di ebollizione dalla quale è possibile leggere immediatamente il componente bassobollente e quello altobollente. Nel diagramma di equilibrio è riconoscibile che la miscela benzene/o-xilene non forma un azeotropo e presenta un comportamento quasi ideale. La simulazione con metodo shortcut è applicabile alla miscela. Figura 2: Diagramma T-x e diagramma di equilibrio Nel diagramma di flusso viene aggiunta la UnitOp (Unit Operation) per la colonna shortcut e questa viene dotata di un flusso di feed e di due flussi di prodotto Il flusso di feed viene importato con i dati indicati nella tabella 1, vedere figura 3. Tabella 1: Dati rilevanti per la simulazione esemplificativa Unità Componenti Termodinamica Flussi di feed Unit Operation SI Benzene (feed) o- xilene (feed) K: UNIFAC, H: LATE Benzene: 50 kg/h o-xilene: 50 kg/h t = 20 C p = 1,013 bar 1 colonna shortcut 1 feed 2 prodotti Pagina 2 di 11

3 Nella fase successiva viene inizializzata la colonna shortcut. Nella finestra di impostazione (figura 3) è possibile selezionare sotto "Select Mode" tre diverse opzioni di progettazione. Figura 3: Finestra di impostazione della colonna shortcut La prima possibilità di selezione "Rating: Fenske- Underwood- Gilliland" non può essere usata per la progettazione. Viene usata se i dati della colonna sono già disponibili e il comportamento di separazione deve essere analizzato rapidamente. Le altre due possibilità di selezione "2 Design; FUG with Fenske feed tray location" e "3 Design; FUG with Kirkbride feed tray location" sono necessarie per la progettazione della colonna shortcut. La differenza fra questi metodi è riassunta nella tabella 2. Tabella 2: Confronto delle opzioni di progettazione nella colonna shortcut 2 Design; FUG with Fenske feed tray location Base di calcolo per -numero di stadi minimo -rapporto di riflusso minimo -numero di stadi teorico Base di calcolo per - piatto di alimentazione teorico Differenza secondo Fenske- Underwood- Gilliland secondo Fenske Calcolo del piatto di alimentazione teorico rispetto al numero di stadi minimo e teorico 3 Design; FUG with Kirkbride feed tray location secondo Fenske- Underwood- Gilliland secondo Kirkbride Calcolo del piatto di alimentazione teorico rispetto al rapporto degli stadi nella sezione di rinforzo e di strippaggio Pagina 3 di 11

4 Per questo tutorial viene scelto il caso 2 "FUG with Fenske feed tray location". Sono necessari tre dati per l'inizializzazione della colonna shortcut: Light Keysplit,Heavy Keysplit e il rapporto. I Keysplit indicano il rapporto tra il bassobollente o l altobollente uscente in testa e quello in entrata nel feed. Questo non è equivalente alla purezza desiderata in testa. La semplificazione del metodo shortcut consiste nel fatto che la miscela da analizzare viene ridotta a un sistema binario. I due componenti da separare vengono indicati come Lightkey e Heavykey. Tramite un bilancio è possibile determinare i flussi di massa in testa ( ) e in coda ( ) per la purezza desiderata (. w indica la frazione massiva. w D m D w F m F w B m B Figura 4: Schizzo della colonna Successivamente è possibile calcolare Light e Heavy Keysplit. Secondo il compito prefisso, è richiesta una concentrazione di benzene minima del 99% in testa (. o-xilene non deve superare una concentrazione massima dell'1% in testa (. In tal modo per i dati indicati nella tabelle 1 si ottiene un Light Keysplit di LKS = 0,99 e un Heavy Keysplit di HKS =0,01. L'ultimo dato necessario per il calcolo della colonna shortcut in CHEMCAD è l'indicazione del rapporto tra rapporto di riflusso teorico e minimo. Lo scopo della simulazione è calcolare il rapporto di riflusso ottimale. Dapprima viene quindi preimpostato solo un valore iniziale che viene in seguito ottimizzato con un Sensitivity Study. Come regola empirica 1 viene indicato in genere un rapporto tra (1 3). Se il rapporto è 1, il rapporto di riflusso corrisponde al rapporto di riflusso minimo, il che darebbe un numero di stadi infinito. Per questo motivo si deve assumere come valore iniziale 1,1. Löwe, Eberhard : Destillation Rektifikation, TFH Berlin, 1989 Pagina 4 di 11

5 Tutte le impostazioni sono inserite e la simulazione può ora essere avviata. Si deve attendere che la colonna arrivi a convergenza. Tramite un Sensitivity Study [6] viene tracciata nella fase successiva la curva energetica delle apparecchiature (figura 5). A tal fine il rapporto viene variato da 1,01 a 3 e viene riportato il relativo numero di stadi teorico calcolato. Figura 5: Curva energetica delle apparecchiature Dalla curva energetica delle apparecchiature si può riconoscere che il numero di stadi diminuisce all'aumentare del rapporto. Tuttavia nella scelta del rapporto ottimale si deve osservare che con un rapporto crescente anche la potenza dell'evaporatore aumenta e di conseguenza i costi di esercizio. Come rapporto ottimale viene impostato e la simulazione viene riavviata. Pagina 5 di 11

6 Valutazione dei risultati della simulazione Le caratteristiche calcolate della colonna sono mostrate nella finestra di impostazione della colonna di shortcut, vedere figura 6. Con i dati impostati è stato calcolato un numero di stadi teorico di 13. Il piatto di alimentazione si trova al 7 stadio. Dai risultati è possibile anche dedurre il rapporto di riflusso, il numero di stadi minimo, la potenza dell'evaporatore e del condensatore. Figura 6: Risultati della simulazione con metodo shortcut Una rappresentazione delle caratteristiche dei flussi di processo (vedere figura 8) avviene sotto [Format] [Add Stream Box]. Figura 7: Caratteristiche dei flussi Pagina 6 di 11

7 Dalla "Stream Box" è possibile leggere le frazioni molari dei componenti in testa, coda e nel feed. Si riconosce che i requisiti definiti dal compito prefissato sono stati raggiunti. Il benzene è stato ottenuto nella sua forma quasi pura. L o-xilene viene rilasciato in testa, solo in concentrazione molto bassa. I risultati della simulazione sono valori orientativi non idonei per una progettazione reale della colonna. Una simulazione dettagliata deve essere eseguita con una colonna rigorosa. Tuttavia le caratteristiche calcolate della colonna delimitano l'ambito operativo, per cui è possibile risparmiare tempo e lavoro effettuando la simulazione con la colonna rigorosa. Basi di processo Di seguito vengono approfondite le conoscenze teoriche di base che si trovano dietro la funzione shortcut e vengono fornite tutte le informazioni dettagliate in merito. Con il metodo shortcut diventa possibile una stima semplice e rapida delle caratteristiche della colonna per la separazione di miscele ideali, in quanto il sistema osservato viene fortemente semplificato. La semplificazione del metodo shortcut consiste nel fatto che la miscela da analizzare viene ridotta a un sistema binario. I due componenti da separare vengono chiamati Lightkey e Heavykey, e vengono osservati nel calcolo idealizzato. Altri componenti influenzano la volatilità relativa ma non vengono tenuti in considerazione nel calcolo. Un'altra semplificazione è che la volatilità relativa e i fattori di separazione sono considerati costanti all'interno dell'intervallo di temperatura osservato. La volatilità relativa è definita come: Si imposta qui per le frazioni in fase vapore la legge di Dalton con la pressione parziale p i e per le frazioni in fase liquida la legge di Raoult (1) (2) con il coefficiente di attività e la pressione di vapore si arriva a (3) CHEMCAD necessita, per il calcolo delle volatilità relative, solo dei coefficienti di attività e delle pressioni di vapore del bassobollente e dell'altobollente. Il calcolo impostato nel modello shortcut, avviene secondo i metodi di calcolo di Fenske Underwood e Gilliland, descritti di seguito. (4) Pagina 7 di 11

8 Con l'equazione di Fenske (5) viene calcolato il numero minimo di piatti in presenza di riflusso totale e frazione di componente/massiva nota nel distillato e nella coda. Si suppone che la volatilità relativa sia in questo caso costante. Poiché la volatilità relativa dipende tuttavia sia dalla composizione della miscela che dalla pressione e dalla temperatura, si effettua il calcolo con una volatilità relativa media, con la volatilità relativa media ( ) (6) è la frazione molare del bassobollente in testa e la frazione molare dell'altobollente nella coda. Con l'equazione di Underwood (7) viene calcolato nella fase successiva il rapporto di riflusso minimo con numero di piatti infinito. Si tratta di un calcolo approssimativo che dipende dall'equilibrio di fase e dalle proprietà del feed. (5) [ ] (7) è la frazione molare del bassobollente nel feed. Come regola empirica viene in genere moltiplicato il rapporto di riflusso minimo per un moltiplicatore. L'equazione di Gilliland è un approccio empirico per calcolare il numero teorico di piatti. Questo approccio empirico è mostrato in un diagramma e può essere descritto con l'equazione di Molokanov. Tale diagramma può essere preso dalla letteratura ([5], pag.199). Il piatto di alimentazione può essere calcolato in due modi. La prima possibilità è secondo Fenske. Dapprima viene definito il numero di piatti con riflusso massimo tramite Fenske (9). Questo numero di piatti corrisponde al numero di piatti necessario per ottenere le concentrazioni desiderate di Lightkey e Heavykey, riferite alla concentrazione di feed. ( ) Con il numero minimo di piatti e il numero di piatti secondo Fenske è possibile calcolare il piatto di alimentazione teorico. (8) (9) (10) Pagina 8 di 11

9 In alternativa il piatto di alimentazione può essere calcolato con l'equazione di Kirkbride. Questa si basa su dati empirici. Viene determinato un rapporto tra il numero teorico di piatti nella sezione di rinforzo e il numero teorico di piatti nella sezione di strippaggio. Da ciò si calcola poi il piatto di alimentazione. [( ) ( ) ] (11) con (12) Nella tabella 3 è riportata una panoramica dei metodi Fenske, Underwood e Gilliand e dei parametri di calcolo più importanti. Tabella 3: Panoramica dell'equazione precedentemente usata Fenske Underwood Gilliland Kirkbride Valori predefiniti - Concentrazioni di testa e coda - Volatilità relative - Concentrazioni di feed e testa - Volatilità relative - Numero minimo di piatti - Rapporto di riflusso minimo -Flusso molare dalla testa e coda - Concentrazioni di feed, testa e coda Valori da calcolare - Numero minimo di piatti - Piatto di alimentazione con riflusso massimo - Rapporto di riflusso massimo con numero di stadi infinito - Rapporto di riflusso effettivo - Numero teorico di piatti con rapporto di riflusso calcolato - Piatto di alimentazione teorico - Piatto di alimentazione teorico La presente simulazione è stata creata in CHEMCAD Pagina 9 di 11

10 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 Daniel Seidl 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: Ideales Phasengleichgewicht und Shortcut Kolonne, Juli 2011 [5] Sattler, Klaus: Thermische Trennverfahren: Grundlagen, Auslegung, Apparate. Wiley-VCH Verlag, S [6] CHEMCAD Hilfe Pagina 10 di 11

11 Elenco formule Formula Significato Flusso di massa Frazione molare nella fase vapore Frazione massiva Rapporto di riflusso Volatilità relativa Fattore k Frazione molare nella fase liquida Pressione Pressione di saturazione Numero di stadi Flusso molare Elenco indici Indici Significato F Feed D Distillato (Distillate) B Coda (Bottom) L Bassobollente (Light component) H Altobollente (Heavy component) min Minimo 1,2 Componenti 1 & 2 i i-esimo componente Pagina 11 di 11