Transcript Destillationskolonn

3
Destillationskolonn
Uppställningen består av en destillationskolonn med åtta Pt100givare för att mäta temperaturen på de olika bottnarna. Magnetventilen, som är placerad på toppen av kolonnen, kontrolleras av
en reläbox och används för att styra destillationsuttaget. Värmemanteln, som är placerad längst ner på kolonnen, används för att
starta förångningsprocessen i kolonnen. Den styrs också med en
reläbox.
Uppgiften är att mäta temperaturerna på de olika bottnarna med
ett LabView-program som också styr reläboxarna. Mätdata från
givarna samlas in med ett datainsamlingskort, ett s.k. DAQ-kort.
Metanol/Etanol c:a 5/100, helst inget vatten. Utsug pelare TS06.
kylvatten
magnetventil
8st Pt100-givare
Enhet för
temperaturgivare
Värmemantel
4
Etanol: Smältpunkt
Kokpunkt
Densitet
Specifika värme kap.
Ångbildningsvärmet
−114,3 oC
78,4 oC (vid 1 bar)
0,784 ⋅10 3 kg/m 3
2,43 kJ/kg /K
841 kJ/kg
Metanol: Smältpunkt
Kokpunkt
Densitet
Specifika värme kap.
Ångbildningsvärmet
−98 oC
(vid 1 bar)
64,7 oC
3
0,786 ⋅ 10 kg/m 3
2,50 kJ/kg /K
1100 kJ/kg (vatten 2260 kJ/kg )
Värmemanteln styrs via ett 24 V-relä. Reläet sluter om det får 5 V
styrspänning. När värmemanteln är tillslagen lyser en röd lampa
på reläboxen. Styrsignalen till transistorn kopplas från DIO0 (49)
till 10 K-motståndet och från DGND (15) till 24V-jorden.
24 V
Relä
230 V/50 Hz
10 K
Värmemantel
0-5 V
BC337
5
Magnetventilen styrs också via ett 24 V-relä. Reläet sluter om det
får 5 V styrspänning. Magnetventilen öppnar och en röd lampa
lyser på reläboxen. När magnetventilen öppnar kan destillatet
tappas av. Styrsignalen till transistorn kopplas från DIO1 (17) till
10 K-motståndet och från DGND (15) till 24V-jorden.
24 V
Relä
10 K
Magnetventil
0-5 V
BC337
Temperaturgivare (8 st)
Temperaturen i kokaren och på bottnarna i destillationskolonnen
mäts med 8 stycken pt-100 element, numrerade 0–7, räknat från
kokaren till toppen av kolonnen. I kokaren mäts temperaturen
med 0:te elementet (kanal 0). De olika bottnarna får då elementen
med numren 1–7, där den 7:e mäter temperaturen, där uttag av
destillatet görs.
Pt-100-givarnas resistans ändras med temperaturen. I intervallet
0-800oC ges sambandet av ekvationen
R(t) = R0 (1+ At + Bt 2 )
t= temperaturen i oC
R0 =100 Ω A = 3,90830.10-3 oC-1 B = - 5,77500.10-7 oC-2
I intervallet 0-100oC kan man emellertid approximera med det
linjära sambandet
R(t) = R0 (1+ α t) , där α = 0,00358 oC-1
6
Här gäller: 0
Ω
oC
motsvarar 100,0 Ω, 100 oC motsvarar 138,5
Resistansen bestäms genom att man mäter spänningen över
elementet vid konstant ström, här 1,000 mA. Kretsen nedan
realiserar detta. AD587 är en 10 V-referenskälla, kopplad för
att ge strömmen 1,00 mA genom Pt-100-givarna.
+15V
10 uF +
100 nF
2
1 uF +
8
6
AD587
4
+15 V
10 uF +
10 K 1%
100 nF
7
– 2
1 mA
6
3
+
+
+ 10 uF 4
OPA177
Pt-100
ut
–
100 nF
-15V
Anslutning av givarna till DAQ-kortet sker differentiellt, varvid
förbindningen från temperaturboxen till DAQ-kortet blir
Temp.givare
Temp.givare
Temp.givare
Temp.givare
Temp.givare
Temp.givare
Temp.givare
Temp.givare
0
1
2
3
4
5
6
7
+
+
+
+
+
+
+
+
AICH
AICH
AICH
AICH
AICH
AICH
AICH
AICH
0
1
2
3
4
5
6
7
(68)
(33)
(65)
(30)
(28)
(60)
(25)
(57)
–
–
–
–
–
–
–
–
AICH
AICH
AICH
AICH
AICH
AICH
AICH
AICH
8
9
10
11
12
13
14
15
(34)
(66)
(31)
(63)
(61)
(26)
(58)
(23)
7
Till varje kanalkontakt på kortet är biasmotstånd på 100 K
monterade för att förhindra att förströmmar laddar förstärkarstegets strökapacitanser och får steget att bottna.
Destillation
Vid en destillationsprocess avskiljs en vätska från ett annat
ämne genom att vätskeblandningen förångas, varefter ångan
kondenseras.
Fraktionerad destillation kallas en process, när en blandning,
via destillation, separeras i en serie fraktioner med olika flyktighet. Den enklaste metoden att göra detta är att efterhand förånga den flyktiga blandningen samt bortföra och kondensera
ångan, allteftersom den bildas.
En rektifieringsprocess, vilket är en slags fraktionerad destillation, delas en binär blandning upp i sina beståndsdelar och kan
beskrivas enligt följande. Då en vätskeblandning kommer i
kontakt med en ånga, som innehåller mindre än jämviktsmängden av den lättare, flyktigare beståndsdelen, sker materialutväxling mellan faserna. Detta innebär att en del av det flyktigare
materialet övergår till ångfas och en motsvarande mängd av det
mindre flyktiga övergår till vätskefas. Om faserna tillåts röra sig
motströms i för hållande till varandra över en längre sträcka
ansamlas det lättare materialet i ångfasen och det tyngre i
vätskefasen. Ju längre sträckan är, ju renare blir de olika
faserna.
En rektifieringskolonn eller en fraktioneringskolonn består av en
vertikal cylinder som kan innehålla en serie av skivor, så kallade
mellanbottnar (så är fallet i detta projekt), eller ett fyllnadsmaterial med stor specifik yta. Båda anordningarna ger god
kontakt mellan ångan och vätskan genom hela kolonnen. Högst
upp i kolonnen finns en kondensor och längst ner en ångbildare,
s.k. återkokare. (i detta projekt upphettas denna av värme
Manteln).
Ångkokaren avger en ström av ånga, som stiger uppåt genom
kolonnen till kondensorn, där den fullständigt kondenseras,
varefter en del återförs till kolonnen som återlopp. På grund av
utbytet mellan faserna består vätskan och ångan högst upp
nästan enbart av den lättare beståndsdelen (metanol) och
materialet längst ner av den tyngre beståndsdelen. Rektifieringen kan fungera antingen satsvis (som i projektet) eller via
8
kontinuerligt tillflöde av destillationsblandningen. Vid satsvis
destillation sker ångbildningen i ett kärl, där det ämne som skall
förångas placeras. Under destillationens gång avges de olika
beståndsdelarna i ordning efter sin flyktighet, med mer eller
mindre tydlig avskiljning. Separationsförmågan hos en
rektifieringskolonn beror av längden av den sträcka över vilken
kontakten mellan vätska ock ånga kan ske samt på det tillämpade återloppsförhållandet. Detta är förhållandet mellan den
vätskemängd som återgår till kolonnen som återlopp, och den
vätskemängd som avlägsnas från toppen av kolonnen. Rektifiering har stor industriell betydelse och är den viktigaste
separationsprocessen som utnyttjas inom petroliumindustrin.
Vid rektifieringen styrs
R= återflödesförhållandet =återflöde/destillat.
där D är öppentiden och L stängningstiden för magnetventilen. L
och D väljs så att R=10 antas vara fullständigt återflöde
(magnetventilen helt stängd).