Thermische Verfahrenstechnik

Rektifikation

Carsten Hempel

Versuchsdatum: 02.-04.12.1996

Teil 1: Ermittlung des optimalen Rücklaufverhältnisses

Ermittlung der optimalen Dampfgeschwindigkeit

Teil 2: Projektierung einer Kolonne zur Trennung

des Gemisches Methanol - Aceton

Inhaltsverzeichnis 1.Teil:

1. Aufgabenstellung

2. Grundlagen

3. Durchführung

3.1. Kolonnenbeschreibung

3.2. Ermittlung des optimalen Rücklaufverhältnisses

3.3. Ermittlung der optimalen Dampfgeschwindigkeit

4. Auswertung des ersten Tages

4.1. Berechnung der Erzeugnis- und Ablaufkonzentration aus der

Kopf- und der Sumpftemperatur

4.2. Berechnung des kalorimetrischen Faktors f

4.3. Erstellung des McCabe-Thiele-Diagramms

4.4. Bestimmung des Verstärkerverhältnisses der Kolonne

4.5. Bestimmung des optimalen Arbeitsbereiches der Kolonne

5. Auswertung des zweiten Tages

5.1. Versuchsdurchführung

5.2. Berechnung der Erzeugnis- und Ablaufkonzentration aus der

Kopf- und der Sumpftemperatur

5.3. Berechnung des kalorimetrischen Faktors f

5.4. Berechnung der Dampfgeschwindigkeit w

5.4.1. Berechnung der Kolonnenfläche

5.4.2. Berechnung der mitleren Molmasse

5.4.3. Wertetabelle Dampfgeschwindigkeit

5.5. Erstellung der McCabe-Thiele-Diagramme

5.6. Bestimmung des Verstärkerverhältnisses der Kolonne

5.7. Bestimmung des optimalen Arbeitsbereiches der Kolonne

6. Fehlerbetrachtung

7. Zusammenfassung der Ergebnisse

Anhang:

t Originalmeßprotokolle des 1. Praktikumstages

u Temperaturverlauf von Kolonnenkopf und -sumpf

v McCabe-Thiele-Diagramme (1. Tag)

w Diagramm nth/nmin gegen vpr/vmin

x Originalmeßprotokolle des 2. Praktikumstages

y McCabe-Thiele-Diagramme (2. Tag)

z Belastungskurve

1. Aufgabenstellung:

Für das Gemisch Methanol / Wasser ist der Arbeitsbereich der im Technikum verwendeten Kolonne zu bestimmen, der die geringste Störanfälligkeit beeinhaltet.

Hierfür wird bei einer konstanten Dampfgeschwindigkeit das Rücklaufverhältnis variiert und anschließend mit Hilfe des McCabe-Thiele-Verfahrens das optimale Rücklaufverhältnis bestimmt.

Im zweiten Teil des Praktikums soll mit Hilfe des optimalen Rücklaufverhälnisses bei unterschiedlichen Dampfgeschwindigkeiten und über die Beladungskurve der optimale Arbeitsbereich der Kolonne bestimmt werden.

2. Theoretische Grundlagen:

Die Rektifikation ist ein Verfahren der thermischen Flüssigkeitszerlegung. Durch die Rektifikation kann eine vollständige Trennung eines Gemisches in die praktisch reinen Komponenten durchgeführt werden. Hierbei wird ein Gemischdampf im Gegenstrom zum Kondensat des Dampfes geführt, sodaß durch die ständige Durchmischung von aufsteigendem Dampf und absteigendem Kondensat ein permanenter Stoff- und Wärmetausch erfolgt. Ein Maß für die Leistungsfähigkeit einer Kolonne ist die Anzahl der theoretischen Böden. Die einfachste Methode, diese zu erhalten, ist das McCabe-Thiele-Verfahren. Die für dieses Verfahren notwendigen Stoffdaten lassen sich über Gleichungen, bzw. Diagramme ermitteln. Dabei werden jedoch häufig idealisierte Bedingungen vorausgesetzt, wodurch sich Abweichungen vom realen Verhalten ergeben. Zur Veranschaulichung des Trennprinzips thermischer Verfahren benutzt man das Gleichgewichtsdiagramm, in diesem Fall von dem Zweistoffgemisch Methanol - Wasser.

Das Gleichgewichtsdiagramm eines Zweistoffgemisches stellt eine Veranschaulichung des Trennprinzips thermischer Verfahren dar. Ein Hauptbestandteil der theoretischen Grundlagen richtet sich daher auf die Konstruktion eines Gleichgewichtsdiagrammes aus Stoffdaten. Grundsätzlich ist hierbei zu beachten, daß der hier aufgeführte Weg zur Erstellung eines Gleichgewichtes stark idealisiert ist. Erwähnt sei hier die Clausius-Clapeyronsche Gleichung mit z.B. konstant angenommener Verdampfungsenthalpie oder das ebenfalls stark idealisierte Raoultsche Gesetz. Gemessene Dampfdruckkurven, Siede- und Gleichgewichtsdiagramme beinhalten manchmal eine Abweichung vom Idealverhalten und sind vorzuziehen.

3. Versuchsdurchführung:

3.1. Kolonnenbeschreibung

Bei der im Praktikum verwendeten Rektifizieranlage handelt es sich um eine Glockenbodenkolonne. In die Kolonne sind zehn Böden eingebaut mit jeweils vier Glocken und einem Ablauf.

Der Feed wird kontinuierlich mit 100 l / h auf den Boden 6 gegeben. Die Zulauftemperatur liegt bei 60 °C, bei einer Methanolkonzentration von 10 - 15 %.

Der Sumpf wurde mittels eines Umlaufverdampfers beheizt, und ihm wurde kontinuierlich ein Teil der Flüssigkeit entnommen. Am Kopf der Kolonne wird der Dampfstrom mit einem Kondensator verflüssigt, ein Teil als Erzeugnis entnommen und der Rest als Rücklauf in die Kolonne zurückgeführt.

3.2. Ermittlung des optimalen Rücklaufverhältnisses

Zur Ermittlung des optimalen Rücklaufverhältnisses wird eine konstante Dampfgeschwindigkeit eingestellt. Hierfür wird ein Differenzdruck von 34,0 Torr eingestellt.

Vor der ersten Messung wird die Anlage bei unendlichem Rücklauf gefahren, da hierbei eine optimale Trennwirkung vorliegt. Danach werden nacheinander die vorgegebenen Rücklaufverhältnisse (12 / 3, 9 / 3, 6 / 3, 4 / 3, 3 / 3) an der Kolonne eingestellt. Sobald sich der stationäre Zustand eingestellt hat, werden die entsprechenden Temperatur- und Druckverhältnisse abgelesen; ferner wird der Erzeugnisstrom, die Umgebungstemperatur und der Luftdruck bestimmt. Die Feedkonzentration wird vor der Einstellung des neuen Rücklaufverhältnisses durch eine Messung des Brechungsindex und eine Dichtebestimmung ermittelt.

Das Rücklaufverhältnis von 5 / 3 wurde nachträglich eingestellt, um eine bessere Auswertung zu erreichen.

3.3 Ermittlung der optimalen Dampfgeschwindigkeit

Die Rektifizierkolonne wird als erstes bei unendlichem Rücklauf gefahren, bis sich ein stationärer Zustand einstellt.

Danach wird das unter Abschnitt 4 ermittelte optimale Rücklaufverhältnis von 5 / 3 eingestellt und mit verschiedenen Dampfgeschwindigkeiten kombiniert.

Dazu wird die Dampfgeschwindigkeit mit einem Regler von 70 Skalenteilen beginnend in Intervallen von 5 Skalenteilen bis zum Endpunkt von 35 Skalenteilen eingestellt. Nachdem nach jeder Einstellung der stationäre Zustand erreicht ist, werden die entsprechenden Temperatur- und Druckverhältnisse abgelesen. Ferner wird der Erzeugnisstrom, die Umgebungstemperatur und der Luftdruck bestimmt. Die Feedkonzentration wird vor der Einstellung der neuen Dampfgeschwindigkeit durch eine Messung des Brechungsindex und eine Dichtebestimmung ermittelt.

4. Versuchsauswertung (1.Tag):

4.1. Berechnung der Erzeugnis- und Ablaufkonzentration aus der Kopf- und Sumpftemperatur

In einem Diagramm wurden die Kopf- und Sumpftemperaturen gegen das Rücklaufverhältnis aufgetragen. Hierbei kann ein kontinuierlicher Temperaturanstieg festgestellt werden (s. Anhang), der auf eine Verringerung der Methanol-Konzentration im Sumpf zurückzuführen ist.

Zur Ermittlung der theoretischen Stufenzahl werden die Molenbrüche von Erzeugnis xE und Ablauf xA benötigt.

Zunächst wird der dazu am Barometer abgelesene Luftdruck mittels Küster-Thiel-Rechentafel korrigiert. Der so erhaltene Luftdruck pLuft,korr entspricht dem Druck am Kolonnenkopf. Der Druck im Sumpf pS ergibt sich aus der Addition des korrigierten Luftdruckes mit dem eingestellten Druckverlust (36 mbar). Die Kopf- und Sumpftemperaturen wurden mit Hilfe von Korrekturfaktoren berechnet.

Korrekturfaktor: Kopf = 0,033 K / Torr Sumpf = 0,037 K / Torr

TK,korr = TK + (760 Torr - pLuft,korr) * 0,033 K / Torr

TS,korr = TS + (760 Torr - pS) * 0,037 K / Torr

Die Molenbrüche xE und xA werden mittels der Temperaturen aus Tau- und Siedelinie des Stoffsystems Methanol/Wasser abgelesen.

Die Feedkonzentration xF wird aus dem Brechungsindex bestimmt.

(Nur in der Papierausgabe vorhanden, bei Interesse bitte dem Autor schreiben)

4.2. Berechnung des kalorischen Faktors f

Die mittlere Verdampfungsenthalpie wird mit folgender Formel berechnet:

HVerd = xF * HVerd,MeOH + (1 - xF) * HVerd,Wasser

Die molaren Verdampfungsenthalpien von Methanol und Wasser bei Siedetemperatur wurden den grafischen Darstellungen der Verdampfungsenthalpie entnommen.

Die Siedetemperatur des Feeds wird aus dem Siedediagramm für das Stoffsystem Methanol/Wasser bei entsprechender Feedkonzentration abgelesen. Mit Hilfe der Siedetemperatur des Feeds lassen sich die Verdampfungsenthalpie und die molare Wärmekapazität von Wasser und Methanol aus den entsprechenden Diagrammen ermitteln. Die Berechnung der mittleren molaren Enthalpien des Feeds bei Zulauf- und Siedetemperatur erfolgte mit Hilfe der Formeln:

HF = [xF * cp,Methanol + (1 - xF) * cp,Wasser] * TZulauf

HS = [xF * cp,Methanol + (1 - xF) * cp,Wasser] * TSiede,Feed

(Nur in der Papierausgabe vorhanden, bei Interesse bitte dem Autor schreiben)

4.3. Erstellung des McCabe-Thiele-Diagramms

(Nur in der Papierausgabe vorhanden, bei Interesse bitte dem Autor schreiben)

4.4. Bestimmung des Verstärkerverhältnisses der Kolonne

Mit Hilfe der McCabe-Thiele Diagramme kann für jedes Rücklaufverhältnis die Anzahl der theoretischen Böden, das Mindestrücklaufverhältnis und die Mindestanzahl der theoretischen Böden bestimmt werden.

Für den Grenzfall, daß die Austauschergeraden mit der Diagonalen zusammenfallen, kann aus dem McCabe-Thiele-Diagramm die Mindestbodenzahl nmin ermittelt werden.

(Nur in der Papierausgabe vorhanden, bei Interesse bitte dem Autor schreiben)

4.5. Bestimmung des optimalen Arbeitsbereiches der Kolonne

Um den Arbeitspunkt der Kolonne zu bestimmen wird v/vmin gegen nth/nth,min in einem Diagramm eingetragen. Man erhält eine hyperbelartige Kurve, an die bei gleicher Achsenteilung eine 45 °-Tangente angelegt wird und am Berührungspunkt das Lot auf die Abszisse gefällt. Im Schnittpunkt wird dann vopt abgelesen.

Das so ermittelte Rücklaufverhältnis liegt bei vpr/vmin = 1,72, das korrigierte optimale Rücklaufverhältnis bei 1,763 und somit das korrigierte Rücklaufverhältnis bei 5,04 / 3.

5. Versuchsauswertung (2. Tag):

5.1. Versuchsdurchführung

Als erstes wurde die Rektifizierkolonne bei konstanter Dampfgeschwindigkeit unter unendlichem Rücklauf gefahren. Danach wurden bei konstantem Rücklaufverhältnis (5/3) verschiedene Dampfgeschwindigkeiten eingestellt. Dies erfolgte mit Hilfe eines Reglers. Die Regelung erfolgte von 65 Skalenteilen beginnend in Intervallen von 5 Skalenteilen bis zum Endpunkt von 30 Skalenteilen. Sobald der stationäre Zustand erreicht war, wurden die im nachfolgenden Meßprotokoll aufgeführten Temperaturen abgelesen. Sowohl Erzeugnis- als auch Feedstrom wurden volumetrisch gemessen. Die Umgebungstemperatur und der Luftdruck wurden im Protokoll festgehalten. Die Konzentrationen des Feeds wurde wiederum durch refraktometrische Messung sowie durch Dichtebestimmung ermittelt.

5.2. Berechnung der Erzeugnis- und Ablaufkonzentration aus der Kopf- und Sumpftemperatur - 5.3. Berechnung des kalorischen Faktors f

(Nur in der Papierausgabe vorhanden, bei Interesse bitte dem Autor schreiben)

5.4. Berechnung der Dampfgeschwindigkeit w

Die Dampfgeschwindigkeit w wird nach folgender Formel berechnet:

(Nur in der Papierausgabe vorhanden, bei Interesse bitte dem Autor schreiben)

5.4.1. Berechnung der Kolonnenfläche

(Nur in der Papierausgabe vorhanden, bei Interesse bitte dem Autor schreiben)

5.4.2. Berechnung der mittleren Molmasse

Die mittlere Molmasse wird nach folgender Formel berechnet:

Mm = xE * M(MeOH) + x * M(H2O)

mit Mm = Mittlere Molmasse [g/mol]

xE = Endkonzentration von Methanol

M(MeOH) = Molmasse Methanol = 32 [g/mol]

xW = Endkonzentration von Wasser = 1 - xE

m(Wasser) = Molmasse Wasser = 18 [g/mol]

5.7. Bestimmung des optimalen Arbeitsbereiches der Rektifizierkolonne

Zur Bestimmung des optimalen Arbeitsbereiches der Rektifizierkolonne wird die Belastungskurve gezeichnet. Dafür trägt man das Verstärkerverhältnis s gegen die Dampfgeschwindigkeit w auf. Bei der Rektifikation wird zwischen einer unteren und einer oberen Belastungsgrenze unterschieden. Bei einer zu niedrigen Dampfgeschwindigkeit gehen Dampf und Flüssigkeit aneinander vorbei ohne sich zu behindern. Das heißt, es findet nur ein geringer Stoff- und Wärmeaustausch statt. Bei zu hoher Dampfgeschwindigkeit staut sich der Rücklauf in der Kolonne. Das wird auch Fluten der Kolonne genannt.

Im optimalen Arbeitsbereich findet ein guter Stoff- und Wärmeaustausch statt und bei kleinen Schwankungen der Dampfgeschwindigkeit ändert sich die Trennwirkung kaum.

Beim optimalen Verlauf der Belastungskurve fällt der Graph, bis sich ein Plateau ausbildet, danach steigt die Kurve wieder an. Das Plateau stellt den optimalen Arbeitsbereich der Kolonne dar. Das nachfolgende Maximum der Kurve entspricht dem Flutpunkt.

Die im Praktikum ermittelte Belastungskurve entspricht nicht dem optimalen Verlauf. Es bildet sich nach dem Abfallen der Kurve ein Plateau aus, doch danach fällt die Kurve weiter. Für die Auswertung wurde das Plateau als optimaler Arbeitsbereich angenommen, da hier die Trennwirkung durch Schwankungen der Dampfgeschwindigkeit am wenigsten beeinflußt wird.

So ergibt sich ein optimaler Arbeitsbereich von w = ... Die größere Dampfgeschwindigkeit ist die, die noch eingestellt werden kann, bevor bei einer größeren Dampfgeschwindigkeit die Kolonne geflutet werden würde. Sie wird als wFluten bezeichnet. In der Praxis fährt man eher mit einer 10% geringeren Dampfgeschwindigkeit.

wZu = 0,9 * wFluten = ...

Aus dem Graphen ergibt sich dann s = ...

6. Fehlerbetrachtung

Eine Fehlerquelle sind Ablese- und Gerätefehler. Da die Genauigkeit der Temperaturmessung 0,1 °C beträgt, können dadurch die ermittelten Konzentrationen für Erzeugnisstrom und Ablauf mit Fehlern behaftet sein.

Weiterhin können Fehler bei der graphischen Ermittlung der Konzentrationen, Verdampfungsenthalpien und Wärmekapazitäten entstehen.

Da die Werte für die Barometerkorrektur und die Dichte für Methanol-Wasser-Gemische durch Interpolieren aus einer Tabelle gewonnen werden, vergrößert sich der Fehler des Endergebnisses dementsprechend.

Die Dampfgeschwindigkeit wurde aufgrund der Annahme des idealen Gasgesetzes berechnet. Da es sich bei den untersuchten Gasen aber nicht um ideale Gase handelt, treten auch hier Fehler auf. Die Gase verfügen im Gegensatz zu idealen Gasen über ein Eigenvolumen und intermolekulare Anziehungskräfte.

Eine weitere Fehlerquelle ist die grafische Bestimmung der theoretischen Bodenzahl im McCabe-Thiele-Diagramm.

Da die Kurven zur Bestimmung der Optima von Dampfgeschwindigkeit und Rücklaufverhältnis nicht dem optimalen Verlauf entsprechen, unterliegt die Auswertung unserer subjektiven Meinung, welches eine weitere Möglichkeit für Fehler ist.

7. Zusammenfassung der Ergebnisse

Aus der Auswertung der Versuchsergebnisse des ersten Praktikumstages ergaben sich folgende Werte:

optimales Rücklaufverhältnis =

Das entspricht einer Einstellung von

Verstärkerverhältnis =

Nach Auswertung der Versuchsergebnisse des zweiten Tages ergaben sich folgende Ergebnisse:

optimale Dampfgeschwindigkeit =

Verstärkerverhältnis =

Inhaltsverzeichnis 2.Teil:

1. Aufgabenstellung

2. Stoffdaten

3. Umrechnung von Mol% in Gewichts%

4. Berechnung der Stoffströme

4.1. Berechnung der Massenströme

4.1.1. Berechnung der mittleren Dichte

4.1.2. Berechnung des Massenstromes am Zulauf

4.1.3. Berechnung des Massenstromes des Erzeugnisses

4.1.4. Berechnung des Massenstromes am Ablauf

4.1.5. Berechnung des Massenstromes des Rücklaufs

4.1.6. Berechnung des Massenstromes des Dampfes

4.1.7. Zusammenfassung der Massenströme

5. Wärmestrom

5.1. Berechnung der mittleren Wärmekapazitäten

5.2. Berechnung der mittleren Verdampfungsenthalpien

5.3. Zusammenfassung der berechneten Stoffdaten

5.4. Berechnung der Wärmeströme

5.4.1. Berechnung des Wärmestromes an der Zulaufheizung

5.4.2. Berechnung des Wärmestromes am Ablaufkühler

5.4.3. Berechnung des Wärmestromes am Erzeugniskondensator

5.4.4. Berechnung des Wärmestromes am Rücklaufkondensator

5.4.5. Berechnung des Wärmestromes am Erzeugniskühler

5.4.6. Zusammenfassung

6. Kühlwasserbedarf der Kolonne

6.1. Berechnung der anfallenden Kühlwassermenge

6.2. Zusammenfassung

6.3. Gesamtkühlwassermenge

7. Dimensionierung der Kolonne

7.1. Die theoretische Bodenzahl nach McCabe-Thiele

7.2. Die praktische Bodenzahl

7.3. Kolonnenhöhe

7.4. Kolonnendurchmesser

7.5. Durchmesser der Destillierblase

7.6. Höhe des freien Dampfraumes

8. Kommentar zur Projektierung

1. Aufgabenstellung (übliche Technikumsprojektierungsaufgabe)

Für ein Zweistoffgemisch ist bei einem Zulauf von V = 2000 l/h eine Glockenbodenkolonne gleicher Bauart wie im Technikumsversuch zu projektieren.

Das Gemisch soll so aufgetrennt werden, daß im Ablauf des Sumpfes x Mol% xy und im Kopf ein Produkt von y Mol% xy verbleiben. Für die Kolonne muß eine sichere Betriebsweise zugrundegelegt werden, die einen möglichst geringen Energiebedarf fordert.

In den folgenden Berechnungen wurde mit einem optimalen Rücklaufverhältnis von v = ./. gerechnet, obwohl für das optimale Rücklaufverhältnis ./. ermittelt wurde. Diese Maßnahme war nötig, da die Verstärkergerade bei v = ./. die Gleichgewichtskurve schneidet, und das McCabe-Thiele-Diagramm nicht auswertbar ist, da eine unendliche Bodenzahl benötigt würde.

2. - 7.6. Höhe des freien Dampfraumes

(Nur in der Papierausgabe vorhanden, bei Interesse bitte dem Autor schreiben)

8. Kommentar zur Projektierung

Die Mischung von Ethanol und Wasser bildet ein tiefsiedendes Azeotrop. Azeotrope Gemische entsprechen nicht den idealen Gemischen und sind mit den gegebenen Daten nicht über ein McCabe-Thiele-Diagramm auswertbar.

Aus diesem Grund haben wir im nachhinein die Gleichgewichtskurve für das Ethanol-Wasser-Gemisch idealisiert, um sie im Rahmen dieser Projektierung auswerten zu können.

Zur Trennung des Gemisches wird eine Azeotroprektifikation durchgeführt. Dies ist eine zweistufige Rektifikation. In der ersten Stufe wird dem Gemisch Benzol zugesetzt. Es bildet sich ein ternäres Gemisch mit einem niedrigeren Siedepunkt. So wird als erstes das ternäre Azeotrop abdestiliert. Im Sumpf bleibt ein Ethanol-Benzol-Gemisch zurück. Dies ist ein binäres Azeotrop mit einem niedrigeren Siedepunkt als Ethanol.

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© by C.H. Last modification 02.08.99

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