xxx. Nemzetközi Gépészeti Találkozó 2. MŰVELETI LEÍRÁS ÉS A MUNKAMÓDSZER Az aceton tangens azeotrópot képez vízzel nagy aceton koncentrációknál, ami az aceton tisztítását

megnehezíti. Az elegy gőz-folyadék egyensúlyát a UNIQUAC modellel írtuk le [3]. A szétválasztást először a nagyobbik kolonnában valósítottuk meg N2=22 mellett (MÓDIa). A sarzs térfogata 10 m3 (25 °C-on), a holtidő pedig 1,6 óra. Az üstben közölt hőáram 720 MJ/h. A totális kondenzátor hűtési és a kolonna kapacitását mindig elegendőnek tételezzük fel. A kolonna nyomásesése 0,4 kPa, a kondenzátor hold-up 5 dm3, a kolonnáé 3 dm3/tányér. A desztilláció egy lépésből áll (szabad változó a refluxarány (R)), ami során a terméket desztillátumként vesszük el. A kapacitás maximalizálásához érzékenységvizsgálatot végeztünk a refluxarányra. A kétkolonnás műveletben (MÓDII) az előfrakcionáló (KOL1) desztillátumát átvisszük további feldolgozásra a nagyobbik kolonnába (KOL2), a művelet vázlata az 1. ábrán látható. Az optimalizálási változók: N1, a két kolonna refluxarányai (R1 és R2), illetve az első kolonna leállási kritériuma, ami a termék aceton koncentrációja (xD1,A ), ami meghatározza a KOL2-be átvitt anyagmennyiséget. Mivel KOL1 ̅ üsttérfogata kisebb, mint KOL2 üstjéé, így KOL1-ben több sarzs is feldolgozható, mielőtt megtelne KOL2 üstje (max. sarzstérfogat 10 m3) az átvitt desztillátummal. A KOL1-ben feldolgozott sarzsok számát (n) úgy határoztuk meg, hogy a KOL2-be átvitt anyagmennyiség éppen ne lépje túl a 10 m3-t. Minden kiindulási összetétel esetén két különböző KOL1 tányérszám mellett végeztünk számításokat: N1=5 és 22. N1=5 esetén KOL1-re a sarzstérfogat 5 m3, a fűtési teljesítmény 360 MJ/h, a hold-up 5 dm3 (kondenzátor) és 3 dm3/tányér (kolonna), a nyomásesés 0,3 kPa és a holtidő 3,5 óra. N1 növelésével arányosan növeltük a sarzs térfogatát, illetve a fűtési teljesítményt. A kétkolonnás művelet optimalizálására genetikus algoritmust (GA) használtunk, ami Excelben fut: az Excel átadja a kiindulási adatokat a ChemCAD szimulátornak, ami a szimuláció elvégzése után visszaadja az eredményeket az Excelnek. GA paraméterek: az egyedek száma 30, a mutáció valószínűsége 5%, a keresztezések valószínűsége 70%, és a generációk száma 100. 1. ábra. Kétkolonnás desztilláció sémája (n=2: a és b) MÓDIb esetén (az egyedüli) KOL2-re N1-gyel megnövelt tányérszámokkal számoltunk: Ntotal=27 és 44.

Ebben az esetben az üstméretet MÓDIa-hoz hasonlóan 10 m3-nek, a fűtési teljesítményt pedig a MÓDII kolonnák teljesítményének összegének vettük. A kapacitás maximalizálásához érzékenységvizsgálatot végeztük a refluxarányra. A feldolgozó kapacitást (Cap) úgy számítottuk egy kolonna esetén, hogy a betáplálás teljes mennyiségét a művelet összeidejére vonatkoztattuk. Kétkolonnás esetben ugyanezt a két kolonna hosszabb műveleti idejére vonatkoztattuk, figyelembe véve a holtidőket és a KOL1-ben feldolgozott sarzsok számát. A kinyerést (η) úgy számoltuk, hogy a termékben (MÓDII esetén KOL2 desztillátuma) lévő aceton mennyiségét vonatkoztattuk a betáplálásbelire. 3. EREDMÉNYEK MÓDIa-ra érzékenységvizsgálatot végeztünk. Minden R-hez kiszámoltuk a gyártási sebességet (a

termékben lévő aceton mennyisége a műveleti időre vonatkoztatva) és a kinyerést (η), amit a további számításoknál is tartani kell (2. ábra).

2 EMT xxx. Nemzetközi Gépészeti Találkozó 2. ábra. Kinyerés és gyártási sebesség R függvényében MÓDIa-ra (N=22) R=4 közelében a η hirtelen növekszik, míg a gyártási sebességnek (SPF) maximuma van. A maximum

után R növelésével SPF csökken, mert onnantól a műveleti idő (t), amely tartalmazza a holt időt is, nagyobb mértékben növekszik, mint η. xF növelésével (adott R mellett) viszont kicsit nagyobb SPF érhető el. Továbbá minél nagyobb xF, annál kisebb R is elegendő a szétválasztáshoz (adott η mellett). A további számításokhoz ezek alapján a következő minimális kinyeréseket határoztuk meg rendre xF=20, 50 és 80 tömeg% esetén: 94,50 %, 98,08 % és 99,92 %. Az egykolonnás műveletekre a fontosabb eredményeket az 1. táblázatban foglaltuk össze. MÓDIa és MÓDIb fontosabb eredményei 1. táblázat xF=0,2 xF=0,5 xF=0,8

N, - 22 27 44 22 27 44 22 27 44

R, - 5 4,8 3,7 5 4,6 3,5 5 5 4

t, h 10,4 7,3 5,2 21,5 14,1 9,2 30,8 21,1 12,2

η, % 94,50 94,65 94,88 99,08 99,23 99,08 99,92 99,94 99,93

Cap, t/nap 21,989 40,083 63,465 9,917 17,050 28,042 6,494 10,241 16,369 Egykolonnás művelet esetén a tányérszám növelésével (adott xF mellett) jelentősen nő a feldolgozó

kapacitás (Cap): R csökken, ami miatt t is csökken. Adott tányérszám mellett (N=22 felett) xF=0,5-nél a refluxaránynak minimuma van. Ugyanakkor xF növelésére t monoton nő, Cap pedig csökken, mert egyre nagyobb anyagmennyiséget kell átdesztillálni. Továbbá a kiindulási elegy sűrűségváltozása is kismértékben befolyásolja a kapacitáscsökkenést: xF=0,2 esetén a legnagyobb a sűrűség, ezért nagyobb tömegű kiindulási elegy dolgozható fel. MÓDII esetén xF növelésére (adott N1 mellett) a KOL1-ben feldolgozott sarzsok száma (n) csökken, mivel KOL1 desztillátumának mennyisége egyre nagyobb (2. táblázat). KOL1 leállási kritériuma (xD1,A ) csak ̅ kis mértékben változik xF és N1 változásával. N1=22 esetén KOL1 refluxaránya (R1) jelentősen növekszik xF növelésével, ami miatt KOL2 refluxaránya (R2) csökken (kisebb refluxarány is elegendő az előírt kinyerés tartásához) xF=0,2 és 0,5 esetén. Hasonlóan MÓDIa és Ib-hez, MÓDII esetén is csökken a feldolgozó kapacitás xF növelésével. N1 növelésére (adott xF mellett) R1 növekszik, ami miatt csökken R2, ezáltal nő Cap, azonban a kapacitásnövekedés mértéke csökken, majd xF=0,8-nál N1=22 esetén alacsonyabb a kapacitás, mint N1=5 esetén. Ennek oka, hogy ekkor nagyon magas kinyerést kell teljesíteni, ami N1= 22 esetén azért teljesíthető

OGÉT-2022 3 xxx. Nemzetközi Gépészeti Találkozó

nehezebben, mert a nagyobb kolonna nagyobb hold-upjában az aceton veszteség is nagyobb, ami csak magasabb refluxaránnyal, tehát hosszabb műveleti idővel kompenzálható. Továbbá mindkét tányérszámnál 10-10 m3 kiindulási anyagot dolgoztunk fel, mert a tányérszám növekedéssel nőtt a sarzsméret is. MÓDII fontosabb eredményei 2. táblázat xF=0,2 xF=0,5 xF=0,8

N1, - 5 22 5 22 5 22

R1, - 0,38 0,64 0,01 1,44 0,01 2,54

R2, - 9,39 4,91 4,6 4,34 4,3 4,54

xD1,A , ̅ wt 0,82 0,86 0,86 0,84 0,86 0,88

n, - 7 3 3 1 2 1

t1 / t2, h 56,6 / 49,2 24,9 / 25,2 29,6 / 28,5 18,9 / 18,9 23,94 / 27,26 30,44 / 28,42

η, % 94,58 95,76 99,08 99,90 99,92 99,95

Cap, t/nap 14,120 27,252 10,810 11,282 7,330 6,560 MÓDII-vel (azonos össz-tányérszám mellett) a várakozásoknak megfelelően nem érhető el magasabb

feldolgozó kapacitás MÓDIb-nél egyik összetételnél sem. Ugyanakkor MÓDIa-hoz képest xF=0,5 és 0,8 esetén is nagyobb kapacitás érhető el akár már N1=5 esetén is. MÓDIa-hoz képest xF=0,2 esetén N1=5-nél nem, de N1=22-nél már nagyobb kapacitás érhető el. MÓDII N1=5 esetén a nagy számú feldolgozandó sarzs (n=7) okozta nagy holtidő (tH=24 h) miatt eredményez lényegesen alacsonyabb kapacitást, mint MÓDIa vagy Ib. 4. ÖSSZEFOGLALÁS Különböző összetételű aceton(A)-víz(B) elegyek (xF=20-50-80 tömeg% A) szakaszos desztillációs

szétválasztását vizsgáltuk különböző üzemeltetési módokkal. Az elválasztás történt  egyetlen kolonnában az adott tányérszámmal (MÓDIa),  két megnövelt, a kétkolonnás (MÓDII) művelet össz-tányérszámával megegyező tányérszámmal (MÓDIb),  két sorba kötött kolonnában, melyek közül az elsőnek (előfrakcionáló) változtattuk a tányérszámát (MÓDII). Megállapítottuk, hogy bármely összetételnél MÓDIb-nek nagyobb a feldolgozó kapacitása, mint MÓDII-nek (xF=0,2 és N1=5 esetén a legnagyobb az eltérés: 183%). MÓDII-nek azonban xF=0,5 és 0,8 esetén (8, illetve 11%-kal) nagyobb a feldolgozó kapacitása, mint MÓDIa-nak, xF=0,2 esetén ez csak a nagyobbik tányérszám esetén igaz. Továbbá mindegyik üzemeltetési mód esetén xF növelésével csökken a kapacitás. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A tanulmány alapjául szolgáló kutatás a Bolyai János Kutatási Ösztöndíj és az Innovációs és

Technológiai Minisztérium ÚNKP-21-5 kódszámú Új Nemzeti Kiválóság Programjának a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Alapból finanszírozott szakmai támogatásával készült. IRODALMI HIVATKOZÁSOK

[1] Mujtaba I.M., Batch distillation: design and operation, Imperial College Press, London, UK, 2004. [2] Nemeth B., Lang P., Hegely L., Optimisation of solvent recovery in two batch distillation columns of different size. Journal of Cleaner Production. Elsevier, 2020, 275, 122746. [3] Nemeth B., Hegely L., Lang P., Investigating the processing capacity of batch distillation by applying a second, smaller column. Separation and Purification Technology. Elsevier, 2022, 280, 119883.

4 EMT