Inleiding
Destillatiekolommen maken gebruik van een verwarmings- en koelingsproces om gemengde componenten (vloeistoffen en/of gassen) te scheiden in hun afzonderlijke of oorspronkelijke toestanden. Dit proces wordt bereikt door de gemengde vloeistofcomponenten te verwarmen tot een temperatuur tussen hun respectieve kookpunten, waardoor de component met het lagere kookpunt verdampt en zo de scheiding door verdamping mogelijk maakt.
Raffinaderij Destillatiekolommen
Geschiedenis
Het destillatieproces is een van de oudste en meest toegepaste scheidings- en zuiveringsmethoden. De historische wortels gaan terug tot de Romeinen, Arabieren, Chinezen, Indiërs en Babyloniërs van Mesopotamië meer dan 5000 jaar geleden, waar bewijs van parfum- en alcoholdestillatie werd gevonden op Akkadische tabletten (circa 1200 v.Chr.), en zich verder ontwikkelde tijdens de middeleeuwen en de 19e-eeuwse Industriële Revolutie waar moderne toepassingen werden ontwikkeld.
Whiskey Stokerij
Continue Destillatiekolom
Er zijn verschillende ontwerpen van destillatiekolommen, zoals de ‘batch’ kolom of ‘continue’ kolom. Een basis batchkolom is waar de invoer (vloeistof/gascomponent) volledig wordt gedestilleerd en vervolgens een nieuwe batch invoer aan de kolom wordt toegevoegd en verwerkt. Een continue kolom heeft een constante invoer- en uitvoerstroom die een veel hogere doorvoer mogelijk maakt, en het proces stopt alleen voor onderhoud of reparatie.
Beide soorten kolommen hebben specifieke toepassingen voor de scheiding van vloeistof/gascomponenten en bevatten verschillende niveaus van complexiteit en bijbehorende apparatuur om het destillatieproces te ondersteunen.
Wat zijn de belangrijkste onderdelen van een destillatiekolom?
Een typische Continue Destillatiekolom heeft verschillende componenten om het proces te ondersteunen. De vier hoofdcomponenten zijn:
- Kolom (met de verrijkings en strippingssecties), waar de vloeistof/gasfase scheiding plaatsvindt.
- Reboiler (warmtewisselaar), die de warmte levert om de invoer van de kolom (vloeistof) gedeeltelijk te verdampen zodat het scheidingsproces (destillatie) kan plaatsvinden. De invoer stroomt naar het midden van de kolom en naar beneden door de strippingssectie naar de basis, voordat het de reboiler binnenkomt waar de invoervloeistof wordt verwarmd om de invoer damp te genereren (door verdamping). Deze invoerdamp reist door de kolom omhoog door convectie, om het scheidingsproces van de invoercomponenten voort te zetten.
- Condensor, die de gescheiden en verrijkte invoerdamp aan de bovenkant van de kolom koelt en condenseert voordat deze de refluxvat binnengaat.
- Refluxvat, dat de gecondenseerde invoerdamp (als vloeistof) verzamelt en deze splitst in twee stromen, 1. de uitvoer van het destillatieproces (destillaat), en 2. de gerecyclede vloeistof van het refluxvat (reflux), die terug naar de bovenkant van de kolom wordt gevoerd, om het destillaat verder te verrijken en zuiveren.
Algemene Destillatiekolom Hoofdcomponenten
Om dit proces efficiënter te maken, heeft de destillatiekolom meestal een reeks gestapelde platen of trays binnenin de kolom. Deze platen hebben ronde perforaties, en/of gegolfde metalen vullingen, om het contactoppervlak van vloeistof/damp te verbeteren en daarmee de efficiëntie van het verdampingsproces van de invoervloeistof te verbeteren. Dit type kolom wordt een fractionerende destillatiekolom genoemd en ondersteunt de verwijdering/scheiding van verschillende componenten (vloeistof of gas) op verschillende niveaus in de kolom.
Fractionerende Destillatiekolom
Basiswerking en Terminologie van de Destillatiekolom
De invoercomponenten die in de destillatiekolom moeten worden verwerkt, worden nabij of in het midden van de kolom geïntroduceerd, in een centrale tray/plaat die bekend staat als de invoertray (plaat).
Destillatiekolom Processtroomdiagram
Deze centrale invoertray verdeelt de kolom in een bovenste (verrijkings) sectie en een onderste (strippings) sectie. De invoervloeistof stroomt de kolom in en over de tray/plaat, dan naar beneden door de kolom (door zwaartekracht) naar de volgende tray/plaat via zijn downcomer geleiding, waar de verrijkte invoervloeistof ‘dampcomponent’ wordt gestript door het destillatieproces terwijl het door de invoervloeistof stijgt. De resterende invoervloeistof valt naar beneden in de kolom en verzamelt zich aan de basis van de kolom, waarna het terugstroomt in de reboiler die de lichtere component in de invoervloeistofdampcomponent verdampt. Deze damp vervolgt het destillatieproces terwijl het naar de bovenkant van de kolom stijgt, door de kolomtrayplaten waar het in contact komt met de invoervloeistof, de lichtere component (damp) eruit stript en meer verrijkt wordt terwijl het dat doet. Aan de basis van de kolom wordt het ‘zware’ (niet verdampte) invoervloeistofproduct uit de kolom verwijderd als de ‘bodem’ component.
Destillatiekolom Vloeistof- en Dampstroompaden
De opnieuw verwarmde invoerdamp, die terugstroomt naar de basis van de kolom vanuit de reboiler, wordt verrijkt terwijl het door de kolom stijgt en ‘in contact komt met’ de vallende invoervloeistof, voordat het de kolom aan de bovenkant verlaat, naar de koelcondensor. Deze gecondenseerde vloeistof komt vervolgens in een opslagtank die bekend staat als de refluxvat.
Destillatiekolom en Refluxvat
Een deel van deze refluxvatvloeistof, d.w.z. de refluxverhouding, wordt gerecycled terug naar de bovenkant van de kolom, waardoor het verder wordt verrijkt en gezuiverd door contact met de invoerdampcomponent die door de kolomplaten stijgt. Ten slotte is de gecondenseerde invoerdampcomponent, die nu door het condensor- en refluxvatsysteem in vloeibare vorm is afgekoeld, de kolomuitvoer (destillaat) die wordt teruggewonnen door het algehele destillatieproces.
Destillatiekolom Bedrijfsprofiel
Er zijn bepaalde bedrijfsparameters en trends die gemeenschappelijk zijn voor het destillatiekolomproces, en een waardering van deze aspecten zal helpen bij het verkrijgen van een algemeen begrip van het proces. In eenvoudige termen worden het kolomontwerp (diameter en hoogte, aantal trays/platen, vullingen enz.) en de bedrijfsparameters (temperatuur, druk, invoerfase vloeistof enz.) geoptimaliseerd door de ontwerpers om een algeheel intern damp-vloeistof evenwicht (balans) te bereiken, gebaseerd op de vluchtigheid (kookpunten) van de invoervloeistofcomponenten. Destillatiekolom Bedrijfsprofiel.
Temperatuur en Druk
Het algemene temperatuurprofiel binnen de kolom is dat het heter is aan de bovenkant en koeler aan de basis. Bijvoorbeeld, in een eenvoudig proces met een invoervloeistof met twee componenten, is de temperatuur aan de basis van de kolom iets koeler dan het kookpunt van de zwaardere invoercomponent, en de temperatuur aan de bovenkant is iets hoger dan het kookpunt van de lichtere component, omdat het gewenst is om een omgeving te creëren voor een damp-vloeistof balans binnen de kolom. Aan de basis van de kolom willen we dat de zware invoercomponent als een vloeistof blijft en de lichtere component als een gas blijft totdat het de bovenkant van de kolom bereikt, voordat het de condensor en refluxvat binnengaat. Om deze temperaturen te beheersen, wordt de temperatuur van de reboiler-warmtewisselaar aangepast om de temperatuur van de zware invoercomponent aan de basis te regelen; de ‘retour’ stroom van het refluxvat (stroom terug naar de bovenkant van de kolom) wordt gebruikt om de temperatuur van de lichtere componenten aan de bovenkant van de kolom te regelen.
Het algehele drukgradiënt van de kolom is ‘hogere’ druk aan de basis en ‘lagere’ aan de bovenkant. Deze gradiënt wordt bepaald door de vloeistof van de invoerfase (invoer) die door de kolomtrayplaten naar beneden valt en de stijgende damp die door de invoervloeistof stroomt, belemmert.
In het algemeen wordt voor een stabiel destillatieproces de drukgradiënt van de kolom zo constant mogelijk gehouden, waarbij de reboilertemperatuur en de refluxvatstroom worden gebruikt om de samenstelling van de lichte en zware componentenstromen te regelen.
Gerelateerde Online Technische Cursussen
Introductie tot Stoom, Ketels en Thermodynamica