Introduzione
Le Colonne di Distillazione utilizzano un processo di riscaldamento e raffreddamento per separare due (o più) componenti miscelati (liquidi e/o gas) nei loro rispettivi stati separati o originali. In termini semplici, questo processo viene realizzato riscaldando i componenti liquidi miscelati a una temperatura che si trova tra i loro rispettivi punti di ebollizione, facendo così evaporare il liquido a temperatura più bassa per separarli tramite evaporazione.
Colonne di Distillazione della Raffineria
Storia
Il processo di Distillazione è uno dei metodi di separazione e purificazione più antichi e comunemente usati. I suoi legami storici risalgono ai Romani, Arabi, Cinesi, Indiani e Babilonesi della Mesopotamia più di 5000 anni fa, dove sono state registrate prove di distillazione di profumi e alcol sui tablet accadici (circa 1200 a.C.), fino al periodo medievale e successivamente alla Rivoluzione Industriale del XIX secolo, dove sono state sviluppate applicazioni più contemporanee.
Alambicco per Whisky
Colonna di Distillazione Continua
Esistono molti tipi di design di colonne di distillazione, come la colonna 'batch' o la colonna 'continua'. Una semplice colonna batch è quella in cui il flusso di ingresso (componente liquido/gassoso) viene distillato completamente e poi un altro batch di alimentazione viene aggiunto alla colonna e processato a turno. Una colonna continua ha un flusso di ingresso e uscita costante che facilita un throughput molto più elevato, e il processo non si ferma a meno che non sia necessaria manutenzione o riparazione.
Entrambi i tipi di colonne hanno applicazioni specifiche relative alla separazione di due o più componenti liquidi/gassosi, e incorporano diversi livelli di complessità e attrezzature associate per facilitare il processo di distillazione complessivo.
Quali sono le parti principali di una colonna di distillazione?
Una tipica Colonna di Distillazione Continua ha diversi componenti per facilitare il processo complessivo. Questi quattro componenti principali sono:
- Colonna (che incorpora le sezioni di arricchimento e stripping), dove avviene la separazione delle fasi liquido/gas.
- Ribollitore (scambiatore di calore), che fornisce l'energia termica per vaporizzare parzialmente l'alimentazione di ingresso della colonna (liquido) affinché avvenga il processo di separazione (distillazione). L'alimentazione di ingresso fluisce al centro della colonna e scende attraverso la sezione di stripping fino alla base, prima di entrare nel ribollitore dove il liquido di alimentazione viene riscaldato per generare il vapore di alimentazione (tramite evaporazione). Questo vapore di alimentazione viaggia verso l'alto attraverso la colonna per convezione, per continuare il processo di separazione dei componenti di alimentazione.
- Condensatore, che raffredda e condensa il vapore di alimentazione separato e arricchito nella parte superiore della colonna prima che entri nel tamburo di riflusso.
- Tamburo di riflusso, che raccoglie il vapore di alimentazione condensato (come liquido), e lo divide in due flussi, 1. l'output del processo di distillazione (distillato), e 2. il liquido riciclato del tamburo di riflusso (riflusso), che viene reimmesso nella parte superiore della colonna, per arricchire e purificare ulteriormente il distillato.
Componenti Principali Generali della Colonna di Distillazione
Per rendere questo processo più efficiente, la colonna di distillazione di solito ha una serie di piatti o vassoi impilati all'interno della colonna. Questi piatti hanno perforazioni circolari, e/o riempimenti di metallo ondulato, per migliorare la superficie di contatto liquido/vapore e quindi l'efficienza del processo di evaporazione del liquido di alimentazione. Questo tipo di colonna è chiamato colonna di distillazione frazionante e supporta la rimozione/separazione di diversi componenti (liquidi o gas) a diversi livelli nella colonna.
Colonna di Distillazione Frazionante
Operazione e Terminologia di Base della Colonna di Distillazione
I componenti di alimentazione che devono essere processati nella colonna di distillazione vengono introdotti vicino o al centro della colonna, in un vassoio/piatto centrale noto come vassoio di alimentazione (piatto).
Diagramma di Flusso del Processo della Colonna di Distillazione
Questo vassoio di alimentazione centrale divide la colonna in una sezione superiore (arricchimento) e una sezione inferiore (stripping). Il liquido di alimentazione fluisce nella colonna e attraverso il vassoio/piatto, quindi scende attraverso la colonna (per gravità) fino al vassoio/piatto successivo tramite il suo condotto di discesa, dove il componente di vapore del liquido di alimentazione 'componente di vapore' viene estratto attraverso il processo di distillazione mentre sale attraverso il liquido di alimentazione. Il liquido di alimentazione rimanente cade giù per la colonna e si raccoglie alla base della colonna, quindi fluisce nuovamente nel ribollitore che vaporizza il componente più leggero nel componente di vapore del liquido di alimentazione. Questo vapore continua quindi il processo di distillazione mentre sale verso la parte superiore della colonna, attraverso i piatti della colonna dove entra in contatto con il liquido di alimentazione, estraendo il componente più leggero (vapore) e diventando più arricchito mentre lo fa. Alla base della colonna il prodotto liquido di alimentazione 'pesante' (non vaporizzato) viene rimosso dalla colonna come componente 'bottoms'.
Percorsi di Flusso di Liquido e Vapore della Colonna di Distillazione
Il vapore di alimentazione riscaldato, che rifluisce nella base della colonna dal ribollitore, viene arricchito mentre sale attraverso la colonna e 'entra in contatto con' il liquido di alimentazione in caduta, prima di uscire dalla colonna in alto, nel condensatore di raffreddamento. Questo liquido condensato entra quindi in un serbatoio di stoccaggio noto come tamburo di riflusso.
Colonna di Distillazione e Tamburo di Riflusso
Una parte di questo liquido del tamburo di riflusso, cioè il rapporto di riflusso, viene riciclato nella parte superiore della colonna, arricchendolo e purificandolo ulteriormente attraverso il contatto con il componente di vapore di alimentazione che sale attraverso i piatti della colonna. Infine, il componente di vapore di alimentazione condensato, che ora è raffreddato in forma liquida dal sistema di condensatore e tamburo di riflusso, è l'output della colonna (distillato) che viene recuperato attraverso il processo di distillazione complessivo.
Profilo Operativo della Colonna di Distillazione
Ci sono certi parametri operativi e tendenze che sono comuni al processo della colonna di distillazione, e un apprezzamento di questi aspetti aiuterà a ottenere una comprensione generale del processo. In termini semplici, il design della colonna (diametro e altezza, numero di piatti/vassoi, riempimenti ecc.) e i parametri operativi (temperatura, pressione, stadio di ingresso del liquido di alimentazione ecc.) sono ottimizzati dai progettisti per raggiungere un equilibrio di vapore liquido interno complessivo (bilancio), basato sulla volatilità (punti di ebollizione) dei componenti del liquido di alimentazione. Profilo Operativo della Colonna di Distillazione.
Temperatura e Pressione
Il profilo generale della temperatura all'interno della colonna è che è più caldo in alto e più freddo alla base. Ad esempio, in un processo semplice che ha un liquido di alimentazione con due componenti, la temperatura alla base della colonna è leggermente più fredda del punto di ebollizione del componente di alimentazione più pesante, e la temperatura in alto è leggermente più alta del punto di ebollizione del componente più leggero, poiché si desidera creare un ambiente per un equilibrio vapore - liquido all'interno della colonna. Alla base della colonna, richiediamo che il componente di alimentazione pesante rimanga come liquido e il componente più leggero rimanga come gas fino a quando non raggiunge la parte superiore della colonna, prima di entrare nel condensatore e nel tamburo di riflusso. Per controllare queste temperature, la temperatura dello scambiatore di calore del ribollitore viene regolata per controllare la temperatura del componente di alimentazione pesante; il flusso di ritorno del tamburo di riflusso (flusso di ritorno alla parte superiore della colonna) viene utilizzato per controllare la temperatura dei componenti più leggeri nella parte superiore della colonna.
Il gradiente di pressione complessivo della colonna è una pressione 'più alta' alla base e 'più bassa' in alto. Questo gradiente è determinato dal liquido di stadio di alimentazione (ingresso) che cade giù attraverso i piatti della colonna e ostacola il vapore in salita che fluisce attraverso il liquido di alimentazione.
In generale, per un processo di distillazione a stato stazionario, il gradiente di pressione della colonna viene mantenuto il più costante possibile, utilizzando la temperatura del ribollitore e il flusso del tamburo di riflusso per controllare la composizione dei flussi di componenti leggeri e pesanti.
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