Frakcionált kondenzációs eljárás megértése?

1.: Ezt frakcionált desztillációnak hívják, mely olajiparban egy folyamatos desztillációs folyamat

2.: A betáplált elegynek általában csak egy részét párologtatják el a betáplálás előtt (gőz-folyadék egyensúly)

3.: Általánosan elmondható, hogy az adott frakcióba tartozó szénhidrogének molekulatömege, és forráspontja között egyenes arányosság van. Ha egy molekula moláris tömege nagyobb, magasabb forrásponttal fog rendelkezni mint egy könnyebb. Sokféle felosztás van, egy általánosan elfogadott (atmoszférikus nyomáson):

- Gázok: <0°C

- Benzinek: 0-180°C

- Petróleum: 180-240°C

- Gázolajok: 240-380°C

- Kenőolajok: 380-600°C

- Maradékok (reziduumok): 600< °C

4.: Adott nyomáson minden szénhidrogénnek jól meghatározott forráspontja van. Tehát ha egy készülékben változtatjuk az adott szekcióhoz tartozó hőmérsékletet, eltérő összetételű frakció fog kiválni, mivel adott komponensek a forráspontjuk alá lesznek hűtve, míg másoknak további hűtésre lesz ehhez szükségük.

Jól mondtad, egy desztilláló kolonna aljának melegebbnek kell lennie, mint a tetejének. Ez azt jelenti, hogy az alján fog maradni az el nem párolgó frakció, a tetején pedig azon szénhidrogének távoznak el, amelyek nem voltak képesek kondenzálni egyik hőmérsékleten sem. Ha az a kérdésed, hogy miképp állítják be a kolonna hőmérsékletprofilját egyszerűbb, ha egy két komponenst szétdesztilláló kolonna működését vizsgáljuk:

[link]

Maga a desztilláció hajtóerejét a kiforraló (reboiler) adja a kolonna alján, mely legtöbb esetben egy vízgőzös hőcserélő. A kolonna fenekében található szénhidrogénelegyet (amely nagyon sok nehéz, és kevés könnyű komponenst tartalmaz) megfűti, ennek hatására az elpárolgó elegyben több könnyű, és kevesebb nehéz komponens lesz jelen (hiszen a könnyű komponens alacsonyabb forrásponttal rendelkezik, tehát könnyebben forr el). Ennek hatására egy gőzáram fog elindulni a kolonna fejére.

Miután átbuborékolt a tálcákon, elér a kolonna fejére ahol találkozik a kondenzátorral (condensator). Ez nem más, mint egy hőcserélő. Az esetek 99 százalékában ez valóban vízhűtésű. Ennek hatására ha a kolonna fején kiáramló elegy pl. 50°C, a vizes hűtő lekondenzálja 30°C-ra és sok komponens cseppfolyósodik.

Az anyagáram az ún. refluxtartályba jut (reflux drum). Ide gyűlik össze a kondenzáció során kicsapódott folyadék, melynek a hűtés következtében alacsonyabb a hőmérséklete, mint a kolonna fejének. Ennek a folyadékelegynek egy része visszatáplálásra kerül a kolonnába (reflux).

Tehát ha kicsit figyelmesebbek vagyunk, rögtön három beavatkozási lehetőséget is találunk a hőmérsékletprofil beállítására:

- A betáplált elegy hőmérsékletének változtatása

- A kiforralás mértékének változtatása

- A reflux mértékének változtatása

Ha több hideg komponenst vezetünk vissza a kolonna fejére reflux formájában, hűvösebb lesz a felső szekció, és több nehéz komponens mosódik le az alja felé (hiszen alacsonyabb hőmérsékleten kicsapódnak).

Ha több kiforralást alkalmazunk melegebb lesz a kolonna alsó szekciója, hiszen több hőt viszünk be a rendszerbe aminek hatására csökken a fenéktermék könnyű komponens-tartalma.

Természetesen emellett nagyon sok mindent figyelembe kell venni a hőmérsékletek beállításánál, elsődlegesen a fenék- és fejtermék frakció tisztaságát.

Ugyanez a folyamat játszódik le egy frakcionált desztillációs kolonnában is, csupán a több elvétel- és reflux miatt bonyolódik a helyzet:

[link]

Rögzítsük előbb az alapismereteket!

Adott egy folyadékelegy, amelynek összetevői 1.) egymásban fizikailag jól oldódnak és 2.) forráspontjaik egymástól különböznek.

Szétválasztásuk alapja ez utóbbi, azaz: forráspontjaik különbözősége.

A forráspont szerinti szétválasztásuk egy lentebb taglalt felépítésű, zárt toronyban történik.

A torony legalsó részébe, a fenekébe, hőcserélőt építenek be.

A torony további részét lépcsőkre bontják, így: a toronybelsőbe egymástól bizonyos távolságokra kör alakú, lyukakkal ellátott tálcákat építenek be.

A kilyukasztott részek fölé sapkákat építenek, a sapka alja nem érintkezik a tálca aljával.

A tálcák végéhez a toronyból elvezető nyílásokat, elvezető csöveket építenek.

A torony felső részébe, a fejbe, hőcserélőt építenek be.

Működés:

A torony alját felfűtik a kőolajelegy forráspontjáig. Teljes gőzzé alakítás történik.

A magasabb forráspontúak megkapják az adott nyomáshoz tartozó folyadék -->gőz állapotátalakuláshoz szükséges hőmennyiséget, ám az alacsonyabb forráspontúak gőzei különböző mértékben ugyan, de mind, egytől egyig, túlhevített állapotba kerülnek.

A gőz halmazállapotba került anyagmennyiség felfelé kezd áramlani. Át a tálcák lyukain, át a sapkákon, felfelé a torony fejéig.

Már az anyagáramlás felfelé menete közben is a magasabb forráspontúak kezdenek visszaalakulni folyadékká, de ezt a halmazállapot-változást a torony fejébe beépített hűtőrendszer kifejezetté teszi.

Vagyis hőelvonó hatása révén az odáig eljutott gőzelegyből lecsapja az azon a hőmérsékleten és nyomáson cseppfolyósodókat. Ezek szépen lecsepegnek, lecsorognak az alattuk levő tálcára. Innen a tálcához épített csövekből ezek a forráspont-tartományú elegyek elvezethetőek.

Amikor a tálca peremét a lecsapódott folyadék eléri, a sapkáknál, azokon túl is lecsoroghat az alatta levő gőztérbe. Összetalálkozik a sapkák alatt lévő lyukakból feláramló gőzeleggyel, a felfelé áramló gőztömegből a túlhevített gőzrészekből hőt von el, így az ismét gőzzé alakul, és/vagy közben a folyadékelegyből lecsapja a magasabb forráspontú szénhidrogéneket. És ez számtalanszor meg tud ismétlődni, miközben egyre tisztábban, forrásponttartományok szerint, a kőolajunk szétválasztódik meghatározott részekre, csoportokra (frakciókra).

Összefoglalva:

- a torony hőmérséklete alulról fölfelé csökken.

- gőzáramlás a toronyban alulról felfelé

- anyagáramlás a toronyban felülről lefelé

- visszacsorgatás, reflux, a tornyon kívülről irányítva

A gőz --> folyadék és a folyadék--->gőz átmenet a tálcákon kialakult folyadékrégen, a sapkák alatti lyukakon átbuborékoló folyadékelegy érintekezése során alakul ki.

Tehát mitől függ az, hogy mikor, hol csapódik le a kőolajnak a frakciója?

Attól, hogy milyen mértékű refluxot, folyadékvisszacsorgatást engedek meg. (Ezt a felső hűtőrendszer hőmérsékletével és azzal érem el, mekkora távolságra helyezem el egymástól és a tornyon belül a folyadék-gőz átbuborékoltató tálcákat, valamint milyen ütemben szedem le a tálcák oldalába épített csőrendszeren át az azon a tálcán összegyűlt kőolaj-folyadékrészt, a kőolajfrakciót.)