DİSTİLASYON KOLON TASARIMI 25 de ağırlıkça %33 toluen içeren besleme akımı 11250 kg/h debideki tolüenetilbenzen sıvı çözeltisi raflı bir kolonda 760 mmhg basıncında ayrımsal damıtmaya tabi tutularak ağırlıkça %96.5 toluen içeren bir üst ürün ile yine ağırlıkça %97,5 etilbezen içeren alt ürüne ayrılacaktır. İşlemde min. Geri akım oranının 1.83 katına eşit bir geri akım oranı kullanılacaktır. Antonie Eşitliği log(p B ) A ( T + C ) Adı T A B C Tmin Tmax P* (mmhg)p*(atm) ETİLBENZEN 112,00 7,16 1559,55 228,58-95,00 344,02 377,60 0,50 TOLUEN 7,14 1457,29 231,83-94,97 318,64 790,24 1,04 T 110,60 112,00 115,00 118,00 122,00 125,00 127,00 129,00 131,00 135,00 136,20 P*e 361,51 377,60 414,01 453,21 510,08 556,40 589,10 623,34 659,14 735,69 759,99 P*t 759,33 790,24 859,85 934,23 1041,24 1127,65 1188,34 1251,56 1317,39 1457,17 1501,29 Xe 1,41 0,66 0,61 0,55 0,49 0,45 0,43 0,40 0,38 0,34 0,33 Xt 0,33 0,64 0,59 0,55 0,49 0,45 0,43 0,41 0,39 0,35 0,09 Ye 0,32 0,33 0,36 0,40 0,45 0,49 0,52 0,55 0,58 0,65 0,67 Yt 0,33 0,34 0,37 0,41 0,45 0,49 0,52 0,54 0,57 0,63 0,65 x 1,00 0,93 0,78 0,64 0,47 0,36 0,29 0,22 0,15 0,03 0,00 y 1,00 0,96 0,88 0,78 0,64 0,53 0,45 0,36 0,27 0,06 0,00 Önce Sabit molar akım şartları nın olup olmadığı kontrol edilir. toluen 7985 cal 4.18 j 33377,3 kj mol cal kmol etilbenzen 8491 cal 4.18 j 35492,38 kj mol cal kmol Aradaki fark çok küçük olduğundan Sabit molar akım şartları geçerlidir. F z F x D 11250 0,33 92,14 + 0,33 92,14 0,33 92,14 + 0,67 106,17 11250 0,67 106,17 0,36 0,965 92,14 0,97 0,965 0,965 92,14 + (1 106,17 ) (3) (3) 111,29 Kmol/h 1
x W 0,025 92,14 0,025 92,14 + 0,975 106,17 D F (z F x W ) (x D x W ) 0,029 111,29 (0,36 0,029) 0,97 0,029 39,15 kmol h F D + W > W F D 111,29 39,15 72,14 kmol h Besleme sıvısının termal şartlarını belirleyebilmek için kabarcıklaşma sıcaklığını bilmemiz gerekir KABARCIKLAŞMA SICAKLIĞI Adı T A B C Tmin Tmax P* (mmhg) P*(ATM) ETİLBENZEN 125,8000 7,1561 1559,5500 228,5820-95,0000 344,0200 569,2989 0,7491 TOLUEN 7,1362 1457,2900 231,8270-94,9700 318,6400 1151,6272 1,5153 molce debi P yi Tyi ETİLBENZEN 0,6700 760,0000 0,5019 1,0019 TOLUEN 0,3300 760,0000 0,5000 (2) Kabarcıklaşma sıcaklığı aynı zamanda T-xy grafiğinden de bulunabilir. 2
C FL için ortalama sıcaklık (25+125,8)/275,4 alınır. T F 25 olduğundan beslemenin soğuk sıvı olduğu anlaşılır. Burada beslemenin molar gizli ısısı ile ortalama buharlaşma gizli ısısı a b c d T Cp ETİLBENZEN 102,111 0,55959-0,00156 2,01E-06 348,55 192,8465 TOLUEN 83,703 0,51666-0,00149 1,97E-06 348,55 166,1718 (1) kj c FL 0,36 166,17 + (1 0,36) 192,85 183,25 kmol K toluen 33409 kj kmol etilbenzen 35526 kj kmol ( 33377,3 + 35492,38) 2 q 1 + c FL (t Fb t f ) 1 + 34436 kj kmol 183,25 (125,8 25) 34436 q doğrusunu çizebilmek için aşağıdaki denklemden yararlanırız, y q q q 1 x q z F q 1 1,54 1,54 1 x 0,36 q 1,54 1 1,54 bulunur. y q 2,85 x q 0,66 bu denklemin eğimi bize q doğrusunun eğimini verir. 3
Kayma grafikten 0,325 olarak okundu. R Dmin R D R Dmin 1,83 olarak kabul etmiştik. R D 1,98 1,83 3,63 bulunur. y n+1 x D Kayma 1 1,98 R D R D + 1 x n + x D R D + 1 0,784 x n + 0,209 Denklemin eğimi zenginleşme bölgesi işletme doğrusunu verir. 4
L D R D 39,15 3,63 142,11 kmol h G D (1 + R D ) 39,15 (1 + 3,63) 181,26 kmol h L L + q F 142,11 + 1,55 111,29 314,61 kmol h G L W 314,61 72,14 242,47 kmol h Raf Sayısının Kolerasyonla Hesabı: x q 0,46 y q 0,63 α y (1 x) 0,63 (1 0,46) x (1 y) 0,46 (1 0,63) 2 R Dm z F + q x D R Dm (1 z F ) + q (1 x D ) α(x D (q 1) + z F (R Dm + 1)) (R Dm + 1) (1 z F ) + (q 1) (1 x D ) Buradan R Dm 2,03 bulunur. Kolon tepesinde ; y0,965 x0,935 Kolon dibinde ; y0,07 x0,03 α AV α toluen α etilbenzen α toluen α etilbenzen 0,965 (1 0,935) 0,935 (1 0,965) 1,917 0,07 (1 0,03) 0,03 (1 0,07) 2,434 α AV 1,917 2,434 2,16 N m log x D (1 x W ) x W (1 x D ) log α AV 0,97 (1 0,029) log 0,029 (1 0,97) 9,07 log 2,16 5
R D R Dm 3,63 2,03 1 + R D 1 + 3,63 0,345 N N m N + 2 0,35 N 9,07 N + 2 0,35 N15,03 15,03 15 HATA ( ) 100 %0,2 15 R Dm 2,03 1 + R Dm 1 + 2,03 0,67 R D 1 + R D 3,63 4,63 0,784 6
N m N 0,69 9,07 0,69 N N13,14 13,14 15 HATA ( ) 100 %12,4 15 7
Soyulma bölgesi için kolon çapı hesabı : t N 135 x N 0,03 y N 0,06 x N (ağırlıkça) F(molce) x N(molkesri) M toluen F(ağırlıkça) 111,29 0,03 92,14 11250 L L M L ( 314,61 kg ) (0,03 92,14 + 0,97 106,17) 9,24 3600 s G G M G ( 242,47 kg ) (0,06 92,14 + 0,94 106,17) 7,09 3600 s 135 de ; A B n tc t etilbenzen 0,28889 0,26438 0,2921 617,17 408,15 0,762 toluen 0,29999 0,27108 0,29889 591,79 408,15 0,753 ρ L toluen 753 kg m 3 ρ L etilbenzen 762 kg m 3 (1) 0,027 8
a tc n t σ etilbenzen 66 617,17 1,268 408,15 0,01672 toluen 66,85 591,79 1,2456 408,15 0,01556 (1) σ toluen 0,0155 N m σ etilbenzen 0,0167 N m σ 0,027 0,0155 + (1 0,027) 0,0167 0,0167 N m ρ L 0,027 753 + 0,973 762 761,76 kg m 3 M G 0,06 92,14 + 0,94 106,17 105,33 kg kmol ρ G P dip M G R T 1,07 105,33 kg 3,37 0,082 (273 + 135) m 3 (kolonun dip basıncı 1,07 atm olarak kabul edilmiştir.) Kabuller : P. S 0,6m, L W D c taşma yüzdesi 70 0,69, h W 50 mm, d h 5 mm, P T 2,5 d h ( ) ve F LG L G ρ G ρ L 9,24 7,09 3,37 761,76 0,086 Grafikten P.S0,6 m için K 1 0,1 olarak okundu. 9
A h 0,907 ( d 2 h ) A a P T 2 5 0,907 ( 2,5 d h ( ) ) 0,145 Tablodan ; A h Aü a 0,1 için f 1,0 olarak bulunur. Düzeltilmiş kapasite faktörü ; K 1c K 1 f ( σ 0,02 ) 0,2 0,1 1 ( 0,0167 0,02 ) 0,2 0,096 U GF K 1c (ρ L ρ G )/ρ G 761.76 3,37 U GF 0,096 1,44 m 3,37 s Taşma hızının %70 alınarak U G 0,70 1,44 1,01 m s olarak çalışma hızı bulunur Tablodan; L w D c 0,69 için a A d A c 0.0833 olarak bulunur. Kolon Çapı: 4G 0,5 D c [ πρ G u G (1 a) ] 0,5 4 7,09 D c [ π 3,37 1,01 (1 0,0833) ] D c 1,70 m 10
Zenginleşme Bölgesi İçin Kolon Çapı Hesabı L L M L 142,11 kg (0,03 92,14 + 0,97 106,17) 4,17 3600 s G G M G 181,26 kg (0,06 92,14 + 0,94 106,17) 5,30 3600 s F LG L G ρ G ρ L 4,17 5,3 3,37 761,16 0,052 K 1 0,11 okunur; A h 0,907 ( d 2 h ) A a P T 2 5 0,907 ( 2,5 d h ( ) ) 0,145 Tablodan ; 11
A h Aü a 0,1 için f 1,0 olarak bulunur. Düzeltilmiş kapasite faktörü ; K 1c K 1 f ( σ 0,2 etilbenzen ) 0,11 1 ( 0,0167 0,2 0,02 0,02 ) 0,106 U GF K 1c (ρ L ρ G )/ρ G 761.76 3,37 U GF 0,106 1,59 m 3,37 s Taşma hızının %70 alınarak U G 0,70 1,59 1,11 m s olarak çalışma hızı bulunur Tablodan; L w D c 0,69 için a A d A c 0.0833 olarak bulunur. Kolon Çapı: 4G 0,5 D c [ πρ G u G (1 a) ] 0,5 4 5,3 D c [ π 3,37 1,11 (1 0,0833) ] D c 1,40 m olarak bulunur Kolon Kesit Alanı: A c 0,785(D c ) 2 A c 2,268 m 2 12
Sıvı Taşma Kanalının Alanı: A d A c a 2,268 0,08333 0,189 m 2 Net Alan: A n A c A d 2,268 0,189 2,08 m 2 A a A n A d 2,08 0,189 1,89 m 2 Toplam Delik Alanı: A h 0,145 A a 0,145 1,89 0,274 m 2 Toplam Delik Sayısı : A h (π n d h 2 ) 4 n 13955 10 6 1 raftaki delik sayısı 13955 15 931 Savak Boyu: L w 0,69 D c L w 0,69 1,7 13
L w 1,173 m F LG 0.086 ve %70 taşma hızı için: E 0,022 bulunur Bu değer 0,1'den küçük olduğu için sıvı taşınması ihmal edilebilir. Ağlamanın Kontrolü: Buharların delikten geçiş hızı: u h G 7,09 ρ G A h 3,37 0,274 7,678 m s Savak Üstü Sıvı Yüksekliği: L h ow 750 [ ] ρ L L w 2 3 h w 50mm kabul edilmiştir. 9,24 750 [ 761,76 1,173 ] h w + h ow 50 + 35,6 85,6 mm 2 3 35,6 mm 14
Şekilden K 2 30,9 olarak bulunur. Buharın deliklerden minimum geçiş hızı : u hm K 2 0,9 (25,4 d h ) ρ 0,5 u hm 30,9 0,9 (25,4 5) 3,37 0,5 u hm 6,83 m s u h > u hm aradaki fark (%11) ufak olduğundan güvenli değil. (%20 den büyük olmalı). u h ın artırılması gerekmektedir. Bunu aktif alana az delik delerek sağlayabiliriz. P T d h 2,5 den 2,7 e yükseltilir. A h 0,907 ( 1 2 A a 2,7 ) 0,124 A h A a > 0,1 olduğundan f 1 K 1c ve D c değişmez A h 0,124 1,89 0,234 m 2 u h 7,09 3,37 0,234 8,99 m s Minimum hızdan %20 daha büyük olduğu için emniyetli çalışma için yeterlidir. Raf boyunca buharda meydana gelen basınç düşüşünün hesabı Raf Kalınlığı Delik Çapı 4 mm 5 mm 0,8 h o 51 ( 1 2 ) ( ρ G 2 ) u C o ρ h L 15
C o 0,81 bulunur. h o 51 ( 1 0,81 ) 2 ( 3,37 761,76 ) 8,992 27,79 mm sıvı yüksekliği Raf üzerindeki havalandırılmış sıvıdan geçişte buharda meydana gelecek basınç düşüşü; h a Q p (h w + h ow ) Şekilden Q p 0,61 bulunur. 16
h a 0,61(50 + 35,6) 52,216 mm Sıvı Yüksekliği Raf boyunca buharda meydana gelecek toplam basınç düşüşü h T h o + h a 27,79 + 52,216 80 mm sıvı yüksekliği h T ρ L 80 761,76 ρ civa 13600 kg 4,48 mmhg m 3 Bu değer atm basıncında çalışan ayrımsal damıtma kolonları için makul sayılabilir. Taşıma kanalında akan sıvının raf girişindeki daralmadan geçişte karşılaşacağı basınç düşüşü: L h pe 166 [ ] ρ L A pe A pe Lw h dc 10 3 m 2 2 Sıvının rafa girişte akacağı daralmanın kesit alanı h dc h w 10 50 10 40 mm A pe 1,173 40 10 3 0,0469 m 2 2 9,24 h pe 166 ( 761,76 0,0469 ) 11,1 mm sıvı yüksekliği Taşıma kanalındaki sıvı seviyesinin hesabı h da (h w + h ow + h T + h pe ) 0,61 289,67 mm 1 2 (P. S)103 > h da olduğu için h da kabul edilebilir. Sıvının taşma kanalındaki kalış süresinin hesabı Q dr A D(P. S) L ρ L 0,189 0,6 9,24 791,76 Q dr > 5s olduğundan yeterlidir. P dip P Tepe + N gercek h t x 15 0,03 135 y 1 0,965 112 135 + 112 2 x 0,405 123,5 için: 9,35 saniye 17
y 0,585 μ hesabı: A B C D T μ ETİLBENZEN -5,2585 830,65 0,010784-1,1E-05 396,65 0,277073 TOLUEN -5,1649 810,68 0,010454-1E-05 396,65 0,23736 (1) μ toluen 0,237 μ etilbenzen 0,277 α y(1 x) 0,585(1 0,405) x(1 y) 0,405(1 0,585) 2,07 Beslemenin 123, 5 deki molar ortalama viskozitesi μ FL 0,67 0,277x10 3 + 0,33x0,237x10 3 kg 4 2,638x10 ms α M FL 2,067 2,638x10 4 kg 4 5,46x10 ms E o 0,58 N gerçek raf 15 0,58 26 P dip 1 + 26 4,48 760 1,15 atm İlk başta kabul edilen P dip basıncı 1,07 atm idi. Bu iki değer arasındaki hata %10 dan küçük (%7) olduğu için baştaki kabul geçerlidir. 18
Toplam kolon uzunluğu ; z T (Kolon Üst Boşluğu)+(Raf Sayısı-1)*(P.S)+(Besleme İçin Ek Yükseklik)+(Kolon Alt Boşluğu) z T 1,5*P.S+(Raf Sayısı-1)*(P.S)+0,25*P.S+1,5*P.S z T 1,5*0,6+(15-1)*0,6+0,25*0,6+1,5*0,610,35 m Sonuç Tablosu P.S. 0,6 m Taşma yüzdesi 70 h w 50 mm E 0,022 d h 5 mm u h 8,99 m/s x(raf kalınlığı) 4 mm u hm 6,83 m/s P T 13,5 mm θ dr 9,35 s D c 1,70 m P dip 1,15 atm L w 1,173 m h da 289,67 mm h dc 40 mm n(1 raftaki delik sayısı) 931 N gerçek 26 19
Kaynaklar Chemical Properties Handbook, Carl L. Yaws (1) Antonie Coefficients For Vapor Pressure, (www.irche.com) (2) Handbook of Organic Solvent Properties, lan M. Smallwood (3) 20