Simulazione rigorosa su colonna

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
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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.: 71-43-2) e acetone (CAS-Nr.:
67-64-1) e cicloesano (CAS-Nr.: 110-82-7). 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.
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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.
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Tabella 1: Dati rilevanti per la simulazione
Unità
SI
Componenti
Termodinamica
Benzene
Acetone
Cicloesano
K: NRTL, H: LATE
Flussi
di feed
Unit Operation
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
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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 1000. 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.
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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.
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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.
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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).
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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)
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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).
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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.
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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
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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.
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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
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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
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La presente simulazione è stata creata in CHEMCAD 6.4.0.
Per ricevere ulteriori informazioni su tutorial, seminari o soluzioni inerenti CHEMCAD
consultate il sito web.
http://www.chemstations.eu
Oppure inviare una mail
all'indirizzo: [email protected]
oppure telefonare al numero :
+49 (0)30 20 200 600
www.chemstations.eu
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.199-202
[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
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