Dolgulu bir kolonda buhar hızına bağlı olarak performans analizi

Abstract

ÖZET Dolgulu destilasyon kolonlarında muhtelif tip ve boyutta dolgu maddeleri kullanıl makla beraber, verim ve ekonomi açısından normal bir işletmede geniş buhar-likit temas alanı, küçük bir hold-up ve geniş bir buhar hızı intervali sağlayabilen dolgu tiplerinin genellikle tercih edildiği bilinmektedir. Dolgu çapı küçüldükçe verim ve ayırma etkinliği artmaktadır. Buna karşılık işletme koşullarındaki optimum buhar yükü limiti ve kolon kapasitesi belli oranda küçülmek tedir. Endüstride en fazla rağbet gören halkalı dolgu tipleri arasında Raschig ve Pali halkaları yer almaktadır. Bu çalışmada endüstriyel uygulama alanında adından bahsedilmeyen yeni tip halkalı dolgu maddesi kullanılmıştır. Şekil itibarı ile Raschig halkasından farklı bir geometrik yapıya sahip bu dolgu tipinin işletmedeki performans karakteristikleri 9 cm iç çapındaki cam bir destilasyon kolonunda araştmlmıştır. Dolgu çapı 6.2 mm, tek bir dolgu taneciğinin ıslanabilen dış yüzey alanı 2.3 cm, spesifik yüzey alanı ap = 10.373 cm /cm ve boşluk kesri e = 0.545 m /m geometrik özellikleri taşıyan yeni halkalı dolgu maddesinin işletme parametreleri Hava-Su ve Trikloretilen-nHeptan sistemlerinde incelenmiştir. Önce dolgulu kolonda Hava-Su sistemi ile çalışılarak, kolon kuru ve ıslak basınç düşmesi denemeleri yapılmıştır. Aynı sistem modeli çerçevesinde boğulma meydana getiren hava hızlan ile su-flegma debisi arasındaki ilişkiler incelenmiştir. Dolgulann ayırma etkinliği analizi ise Trikloretilen-nHeptan sisteminde yapılmıştır. Bu çalışmalann paralelinde boğulma noktalarını modelleyen Eckert'in boğulma hızlan eğrisine bir denklem yakıştınlmış ve bu model ışığında teorik boğulma hızı hesaplan iteratif olarak değerlendirilmiştir. Aynca Bravo'nun fazlararası etkin kütle transfer alanı, ae yaklaşımı modifiye edilerek, deney sistemini daha iyi tanımlayabilen yeni bir model önerilmektedir. Bu iki model aracılığı ile muhtelif buhar yükü değer lerinde dolgulann ayırma performansı analiz edilmiştir. Bu çalışmada, teorik model hesaplanyla deneysel sonuçlann karşılaştınlması ve değerlendirilmesi alışılagelmiş yöntemlerden farklı bir pattern üzerinden yapılmaktadır. Log-oram esasına dayalı istatistik değerlendirme yöntemi model performans analizi için daha gerçekçi bilgi ve kriterler vermektedir. Günümüzün mevcut gelişme düzeyinde dolgulu kolonlarda optimum çalışma sahasını algoritmalarca tanımlamak mümkün olmamıştır. Bu konuda, Bolles ve Fair optimum buhar yükünü boğulma hızının % 70- % 80' i şeklinde teklif etmektedir. Çalışmanın son bölümünde optimum buhar yükü sahası için analitik bir yaklaşım önerilmektedir. Bu konuda yapılan teklifler, ileri bir çalışmada değerlendirilmek üzere optimum işletme parametrelerini analitik olarak tanımlayabilecek yeni tip algoritma arayışı ile ilgilidir. - 1

SUMMARY Packed columns are widely used as a contacting device in the chemical industry for gas/liquid mass transfer operations, e.g. distillation and absorption. Over a period of years distillation column packing materials have been tested and evaluated to determine the most suitable packing material for desired distillation operations. For many years they were confined largely to corrosive applications and vacuum distillation where ceramic packings were seriously advantageous, or to small (less than 30 in.) diameter columns where practically it was inconvenient to install trays. However, in recent years the use of packings has been extended to wide ranges of packing sizes and types in almost all seperation operations. The most commonly used packings in commercial plant are Raschig and Pall rings. Investigations to develop data for this study were made using a glass column of 9 cm inside diameter randomly filled to a depth of 1.89 m with ceramic packings. The basic data presented in this paper are thought to be representative of the performance of a new ceramic packing in a geometrical shape similar to Raschig rings at a slightly modified geometry. To avoid dealing, in this time, with the effects of variable packing shape arrangement and initial voidage, only a single packing was studied. These aspects will be interpreted in a next program combining with the problem of effectiveness of the interfacial area. This ring is composed of two sections, a cylindrical body with bases cut in the form of spherical segments, ie., the upper part is in a convex form and the lower one is in a concave form along the longitudinal axis of the cylinder. The geometrical characteristics of the packing are: the total area of a single particle ct,i = 2.3 cm2 ; spesific area ap = 10.37 cm2lcm2 ; voidage £ = 0.545 m3/m3. During the study of the performance charcteristics of the packing, runs were conducted to determine the capacity at several gas/liquid load ratios, the efficiency at total reflux, and the pressure drop at several constant liquid loads. Capacity and pressure drop runs were made using H2O - air system. The efficiency tests were run in Trichloroethylene - n.Heptane system under total reflux conditions.It must be remembered that each distillation problem has its unique characteristics, and no single set of reliable selection rules, covering all available devices, is feasible. For beds of the common commercial packings, these rules give significantly different predictions. The primary aim of the present work, therefore, has been to test these proposed equations against experimental measurements over a wide range of operating conditions. To be applicable for the cases of small packings these correla tions were modified carefully (or a some new model was developed) and were tested statistically. Experimental data required for the testing of the correlations include values of dry and wet bed pressure gradients, HETP and flood velocity measured simultaneously under various loading conditions. The model predictions were compared against observed performance both gra phically and analytically by application of the statistical analysis using the log - ratio objective function. Finally, it was proposed an analytical approximation for predicting of the optimum operating conditions by analysing of HETP = /(% FT) and ae = /(% Ft) functions and its derivations. m