101011ColumnDist Post

12
What you should already know: Iden3fy the feed stage, the bo8oms and dis3llate streams, the enriching/rec3fying sec3on, the stripping sec3on Define the external reflux ra3o, the boilup ra3o, constant molal overflow Perform external column balances (mass and energy) For a par3cular stage inside the column, label all streams, perform mass balance

Transcript of 101011ColumnDist Post

Page 1: 101011ColumnDist Post

What  you  should  already  know:  

•  Iden3fy  the  feed  stage,  the  bo8oms  and  dis3llate  streams,  the  enriching/rec3fying  sec3on,  the  stripping  sec3on  

•  Define  the  external  reflux  ra3o,  the  boilup  ra3o,  constant  molal  overflow  

•  Perform  external  column  balances  (mass  and  energy)  

•  For  a  par3cular  stage  inside  the  column,  label  all  streams,  perform  mass  balance  

Page 2: 101011ColumnDist Post

Objec3ves  for  this  lecture  

•  Apply  the  Lewis  method  to  stage-­‐by-­‐stage  analysis  of  a  con3nuous  dis3lla3on  column  

•  Obtain  the  equa3on  of  the  opera3ng  line  for  a  countercurrent  rec3fying  column  

•  For  a  specified  reflux  ra3o,  deduce  the  number  of  equilibrium  stages  required,  using  the  McCabe-­‐Thiele  method  

Reading  assignment:  ch.  3  and  ch.  4  sec3ons  4.1-­‐4.3  

Page 3: 101011ColumnDist Post
Page 4: 101011ColumnDist Post

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

y(MeOH)

x(MeOH)

MeOH-­‐H2O  rec3fying  column  

•xD=  x0  (x0,y1)  

yint•  

stage  1  (x1,y1)•  

stage  2  (x2,y2)•  

stage  3  (x3,y3)•  

•(x1,y2)  

•(x2,y3)  

•xB  

1.  Draw  y=x  line  

2.  Plot  xD  on  y=x  

3.  Plot  yint  and  draw  op.  line  

4.  Step  off  stages  star3ng  at  xD  

5.  Stop  when  you  reach  xB  

Specifica3ons:  xD  =  0.8,  R  =  2  Column  with  total  condensor  Find  N  required  to  achieve  xB  =  0.1  

L/V  =  R/(R+1)  =  2/3  yint  =  xD(1-­‐L/V)=  0.8/3  =  0.26  

6.  NEVER  step  over  the  VLE  line.  

lowest  xB  possible  for  this  op.  line  

•  

Page 5: 101011ColumnDist Post

Recap:  

•  The  external  reflux  ra3o  R  is  related  to,  but  not  the  same  as,  the  internal  reflux  ra3o  L/V.  

•  The  assump3on  of  constant  molal  overflow  (CMO)  allows  us  to  derive  a  single  mass  balance  equa3on  for  the  rec3fying/enriching  sec3on  of  a  dis3lla3on  column.  When  plo8ed  on  a  McCabe-­‐Thiele  graph,  this  equa3on  is  called  the  opera&ng  line.  

•  Moving  from  stage-­‐to-­‐stage  down  the  column,  either  algebraically,  or  graphically,  amounts  to  alterna&ng  between  the  mass  balance  and  the  VLE  equa&ons.  

Page 6: 101011ColumnDist Post

Objec3ves  for  this  lecture  

•  Describe  the  opera3ng  limits  for  a  rec3fying  column.  •  Find  the  minimum  number  of  stages,  Nmin,  required  for  separa3on  by  rec3fica3on.  

•  Find  the  minimum  reflux  ra3o,  Rmin,  required  for  separa3on  by  rec3fica3on.  

•  Repeat  for  a  stripping  column.  •  Assemble  the  pieces  to  make  a  complete  dis3lla3on  column  and  iden3fy  the  feed  stage.  

Homework:  4D28  (3rd  ed;  4D35  in  2nd  ed).    Assume  desired  yD  =  0.74.  

Page 7: 101011ColumnDist Post

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

y(MeOH)

x(MeOH)

Limi3ng  cases:  rec3fica3on  

•xD=  x0  (x0,y1)  

stage  1  (x1,y1)•  

Specifica3ons:  xD  =  0.8,  vary  R  =  L/D  

1.  L    0          R  =  L/D      0    L/V      0  

L/V  =  0  No  reflux!    

Max.  distance  between  VLE  and  op.  line  Max.  separa3on  on  each  equil.  stage  Corresponds  to  Nmin.  But  no  dis3llate!  

L/V  =  1  Total  reflux!    

2.  D    0          R  =  L/D      ∞    L/V  =  R/(R+1)    1    (L’Hôpital’s  Rule)  

Opera3ng  line  is  y=x  

Column  operates  like  a  single  equilibrium  stage.    (Why  bother?)    

0  ≤  L/V  ≤    1  

0  ≤  R  ≤    ∞  

Page 8: 101011ColumnDist Post

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

y(MeOH)

x(MeOH)

Minimum  reflux  ra3o  

•xD=  x0  (x0,y1)  

•  

Specifica3ons:  xD  =  0.8,  vary  R  

L/V  =  0  

The  number  of  stages  N  required  to  reach  the  VLE-­‐op.  line  intersec3on  point  is  ∞.  

L/V  =  1  0  ≤  L/V  ≤    1  

0  ≤  R  ≤    ∞  

Increasing  R  Decreasing  xB  (for  fixed  N)  Decreasing  D  

•  

•  

•  

•  xB  ,min  for  this  R  

This  represents  xB,min  for  a  par3cular  R.  

It  also  represents  Rmin  for  this  value  of  xB.  

Rule-­‐of-­‐thumb:  1.05  ≤  Ropt/Rmin  ≤  1.25  Can  specify  Ractual  as  a  mul3ple  of  Rmin  

Page 9: 101011ColumnDist Post

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

y(MeOH)

x(MeOH)

MeOH-­‐H2O  stripping  column  (0.7,1)            •  

•(x1,y2)  stage  1  

1.  Draw  y=x  line  

2.  Plot  xB  =  xN+1  on  y=x  

3.  Draw  op.  line  

4.  Step  off  stages  star3ng  at  PR  

5.  Stop  when  you  reach  xD  

Specifica3ons:  xB  =  0.07,      Column  with  par3al  reboiler  Find  N  required  to  achieve  xD  =  0.55  

6.  NEVER  step  over  the  VLE  line.  

V /B = 2

L /V = B /V +1 = 1.5

yint = xB(1−L /V ) = 0.1(1−1.5) = −0.05

y = 1 = 1.5x −0.05

x = 1.05 /1.5 = 0.7

•        xB=  xN+1      (xN+1,yN+2)  

(xN+1,  yN+1)  

•  (xN,yN+1)  •  PR  

(xN,yN)  •   •  (xN-­‐1,yN)  

(xN-­‐1,yN-­‐1)    •  

•  xD  

highest  xD    possible  

for  this  op.  line  

•  

stage  2  

Page 10: 101011ColumnDist Post

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

y(MeOH)

x(MeOH)

Limi3ng  cases:  stripping  Specifica3ons:  xB  =  0.07,  vary  boilup  ra3o  

Max.  distance  between  VLE  and  op.  line  Max.  separa3on  on  each  equil.  stage  Corresponds  to  Nmin.  But  no  bo8oms  product!  

Behaves  as  if  the  column  wasn’t  even  there.    (Why  bother?)    

2.  B    0        

Opera3ng  line  is  y=x  

L →V

L /V →1

V / B

1.     

V →0

L /V →∞

•        xB=  xN+1  

•  PR  

No  boilup!    

L /V = ∞

Total  boilup!    

L /V = ∞

1≤ L /V ≤ ∞

∞ ≥V / B ≥ 0

Page 11: 101011ColumnDist Post

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

y(MeOH)

x(MeOH)

Minimum  boilup  ra3o  

Specifica3ons:  xB  =  0.07,  vary  boilup  ra3o  

The  number  of  stages  N  required  to  reach  the  VLE-­‐op.  line  intersec3on  point  is  ∞.  

•  

•  

•  

     yD  ,max  for          this  boilup  ra3o  

•  

This  represents  yD,max  for  a  par3cular  boilup  ra3o.  

It  also  represents  the  minimum  boilup  for  this  value  of  xD.  

1≤ L /V ≤ ∞

•        xB=  xN+1  

•  PR  

No  boilup!    

L /V = ∞

Total  boilup!    

L /V = 1

∞ ≥V / B ≥ 0

Page 12: 101011ColumnDist Post

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

y(MeOH)

x(MeOH)

McCabe-­‐Thiele  analysis    of  a  complete  dis3lla3on  column  

stage  1  

1.  Draw  y=x  line  

2.  Plot  xD  and  xB  on  y=x  

3.  Draw  both  op.  lines  

4.  Step  off  stages  star3ng    at  either  end,  using  new  op.  line  as  you  cross  their  intersec3on  5.  Stop  when  you  reach  the  other  end  

Specifica3ons:  xD  =  0.8,  R  =  2  xB  =  0.07,      Total  condensor,  par3al  reboiler  Find  N  required  Locate  feed  stage  

6.  NEVER  step  over  the  VLE  line.  

V /B = 2

•  •  PR  

•   •  

   •  

stage  2  

•        xB  

•xD  

Feed  must    enter  here