научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ МЕТИЛАМИНОВ С УЧЕТОМ НЕЭКВИМОЛЯРНОСТИ МАССООБМЕНА Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ МЕТИЛАМИНОВ С УЧЕТОМ НЕЭКВИМОЛЯРНОСТИ МАССООБМЕНА»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2014, том 48, № 5, с. 587-593

УДК 66.021.3:66.048.3:544.344.012

МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЫ В ПРОИЗВОДСТВЕ МЕТИЛАМИНОВ С УЧЕТОМ НЕЭКВИМОЛЯРНОСТИ МАССООБМЕНА © 2014 г. И. А. Семёнов, Б. А. Ульянов, Д. А. Дубровский, Н. Н. Кулов*

Ангарская государственная техническая академия *Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва

semenov_ia82@mail.ru Поступила в редакцию 18.02.2014 г.

Приведены теоретически обоснованные выражения оценки эффективности контактных тарелок с учетом неэквимолярности массопереноса в процессе ректификации. Приведены параметры бинарного взаимодействия компонентов для расчета равновесия между жидкостью и паром по модели ИМ^ИАС в шестикомпонентной смеси, состоящей из воды, метанола, аммиака, моно-, ди- и три-метиламинов. Предложен подход к моделированию работы тарельчатых ректификационных колонн с учетом неэквимолярности процесса массопередачи.

Б01: 10.7868/80040357114050108

ВВЕДЕНИЕ

Процесс ректификации является одним из основных способов разделения жидких смесей на фракции или чистые компоненты. В промышленности данный процесс реализуется в противоточ-ных массообменных колоннах. Строгий расчет таких аппаратов кроме материальных, тепловых балансов и фазового равновесия пар—жидкость для каждой ступени разделения должен учитывать также кинетику массопереноса на контактных устройствах [1].

Существуют разные подходы оценки эффективности контактных тарелок [2—4]. При этом часто допускается эквимолярность процесса массопере-носа между паром и жидкостью и, как следствие, отсутствие результирующего потока вещества между фазами. Однако исследования [5—7] показали, что результирующий поток может оказывать существенное влияние на кинетику массопереноса, и учет этого эффекта повышает точность оценки эффективности контактных устройств.

Целью данной работы являлось создание подхода к моделированию действующих ректификационных колонн с учетом влияния неэквимоляр-ного массопереноса на эффективность контактных тарелок.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Взаимодействие пара и жидкости на контактных тарелках ректификационных колонн сопровождается одновременным протеканием процессов тепло- и массообмена. При этом сопротивле-

ние переходу тепла и вещества практически полностью сосредоточено на стороне пара [2, 8, 9]. Если допустить полное перемешивание жидкости на тарелке и термодинамическое равновесие на границе раздела фаз, то можно считать, что температура жидкости Ть и ее состав х, выровнены по всему объему, а состав пара на границе раздела является некоторой функцией у* (х,-).

Поток компонента i между границей раздела и основной массой пара т, определяется суммой

диффузионной Ji и конвективной ту * составляющих, где т — результирующий поток вещества, пересекающий границу раздела фаз. Величина J¡ определяется коэффициентами диффузии компонентов смеси Б, их концентрациями на границе раздела фаз у* и в основной массе у, соотношением вязкостных и диффузионных характеристик пара, режимом движения и т.п.

Большинство зависимостей, определяющих кинетику массообмена, получено эмпирически. При этом удобной формой обработки экспериментальных данных является выражение диффузионных потоков компонентов в форме уравнения массоотдачи:

Л = вр (у** - У,). (1)

Коэффициент массоотдачи в,-, наряду с другими факторами, зависит от результирующего потока массы т. Это влияние вызвано смещением профиля концентрации компонента в приграничном слое и может быть учтено введением по-

правочного множителя

81 = Р,/Р*, где р* - коэф-

N

N

(2)

фициент массоотдачи при отсутствии результирующего потока массы через границу раздела фаз, м/с. Величина g¡ может быть выражена в рамках пленочной модели [2, 9, 10] как

8 = 1п (1 + В) = С,' В1 ехр (С) -1'

где В 1 = т/(рр;-) и С1 = т/(рР*) — безразмерные движущие силы.

Учитывая сказанное выше, потоки компонентов т I между границей раздела и основной массой пара рассчитываются по уравнению

т( = + ту* = Р*8,Р (у* - у,) + ту*. (3)

Путем математических преобразований уравнение (3) можно представить в виде

т, = в*8Р (у*ф, - у,),

(4)

где ф, = 1 + Щ'(р*8,Р

Коэффициент ф I призван учесть влияние результирующего потока веществ т на потоки отдельно взятых компонентов т . В случае эквимо-лярного массообмена, когда сумма разнонаправленных потоков веществ равна нулю, значение ф равно единице. В связи с этим ф I можно рассматривать как коэффициент, учитывающий отклонение процесса массообмена от эквимолярного.

В соответствии с пленочной моделью он связан с величинами Б1 и С] в уравнении (2) следующим образом:

Ф, = ехр (С1) = ехр

т |РР*

(5)

(«v - ql) - xтг = 0.

,=1

(«v - ^) - X]Г - тХу*Г = 0.

,=1

,=1

N-1

Учитывая, что JN = -X Ji, и вводя величину

,=1

мольной теплоты конденсации пара на границе

N

раздела фаз, как г* = X уГг, можно получить выра-

,=1

жение для расчета суммарного потока веществ т:

т

N-1

X Ji ( - г) + («v - qL)

.,=1

(6)

Тепловые потоки в паре qV и в жидкости определяются коэффициентами теплоотдачи а и разностями температур в основной массе фаз и на границе раздела. Так как сопротивление процессу полностью сосредоточенно на стороне паровой фазы, можно допустить, что qL ~ 0, и все тепло qV, подводимое от пара к жидкости, будет расходоваться на испарение. Величину теплового потока qV с учетом влияния результирующего потока вещества на коэффициент теплоотдачи можно выразить следующим уравнением:

«V = а*8« (Т - Ть). (7)

Подставляя выражения (1) и (7) в равенство (6), получим

1

т=—

X в*8,Р, (у* - у,) ( - г) + а*8г (Т - Ть) . ,=1

. (8)

В большинстве случаев зависимости коэффициентов массоотдачи и теплоотдачи от определяющих факторов находят экспериментальным путем. Одной из распространенных форм зависимостей, обобщающих данные эксперимента, являются уравнения вида [10]

Значение коэффициента ф, может быть найдено, если известны результирующий поток массы

т и значения коэффициентов массоотдачи р* для каждого компонента смеси.

Если допустить, что процесс теплообмена на тарелке протекает адиабатически, то величину результирующего потока вещества, переходящего из одной фазы в другую, т можно определить из теплового баланса, составленного для элементарного объема, включающего границу раздела фаз:

N

Sh = А ReiSc¿

и Ми = А ReiPrл.

Тогда, определяя потоки компонентов т как

сумму диффузионной Ji и конвективной ту* составляющих, можно написать

где А, Ь, й — эмпирические константы.

Исходя из аналогии процессов тепло- и массообмена, можно допустить, что константы А, Ь, й в уравнениях для расчета и Ми имеют приблизительно одинаковые значения. При этом константа й характеризует влияние коэффициентов диффузии Б^ и температуропроводности а на коэффициенты массоотдачи р* и теплоотдачи а*, соответственно.

При барботаже пара через слои жидкости на тарелках время контакта фаз весьма ограничено и процессы массо- и теплообмена являются неустановившимися. В этом случае значение показателя степени й при Рг и 8с может быть принято равным 0.5. Такое значение показателя подтверждено многочисленными исследованиями [2]. Ис-

ходя из этого, выразим величины р, и а* следующим образом:

в* = А Яеь (у °71 а*/ (Ф) = А Яеь (у °71 )а

где I — характерный линейный размер, общий для процессов тепло- и массообмена.

Полученные уравнения для расчета величин р * и а* отличаются друг от друга только значениями

коэффициентов Б, и а. Сомножитель А Яеь (V°'5//) является общим для всех уравнений и определяется геометрическими размерами и гидродинамической обстановкой на тарелке. Представляя его в виде некоторой функции Н от геометрических и гидродинамических параметров, можно записать, что

Р* = ИБО5

и

а*/ (ср) = Иа

0.5

(9)

т

рИ

1

*-1 05/ * \

X&Б°'5 (у* - У1) ( - г) +,

. ¡=1

0.5,

„а п

(10)

С,- =

0.5

(11)

интеграл уравнения (13) по всей поверхности контакта фаз Ш следующим образом:

вК К

Г У,- АО , У'{ О_Ау_

^ (14)

Он | У* Ф, - У I)вр уН вр (У* Ф, - У I1 °

Введем понятие характерной концентрации пара на тарелке У, такое, что

У1

!(У*Ф, - У I)

АО =

У1

У, Ф, - У,

т¥,

Подставляя эти выражения в уравнения (5) и (8), получим

т чРИ у

Ф, = ехр (С,-), (12)

где П = ср (Т - Тъ) — мольная энтальпия перегрева пара относительно температуры жидкости, Дж/кмоль.

Уравнения (10)—(12) позволяют рассчитать значения коэффициентов ф; для всех компонентов смеси. Причем все расчеты выполняются на основе комплекса величин т/(рН), значение которого определяется по уравнению (10) без сведений о явном виде функции Н.

Решение осуществляется путем последовательных приближений. Вначале принимается, что результирующий поток т не оказывает влияния на коэффициенты массоотдачи, т.е. g¡ = gq = 1. В последующих итерациях рассчитываются поправки g¡ и gq по уравнению (2) и уточняются значения ф;.

Значения коэффициентов ф; позволяют определить эффективность тарелки для каждого компонента смеси с учетом неэквимолярности массооб-мена. С этой целью запишем уравнение (4) в виде

А (Оу,) = в,р (у*Ф, - У,) А¥, (13)

которое учитывает не только изменение состава пара Ау1 при контакте с жидкостью, но и изменение его количества АО, обусловленное неэквимо-лярностью массообмена. Применив к потоку пара модель идеального вытеснения, представим

где тШ = ОК — ОН — результирующий поток вещества на тарелке, кмоль/с.

Значение концентрации у, лежит в диапазоне

н к

от У до У и, учитывая сравнительно небольшое изменение концентрации на тарелке, можно рас-

н к тч

считать как среднюю величину из У, и У, . Такое упрощение, несомненно, вводит в расчет некоторую ошибку. Во многих случаях количество пара О изменяется на тарелке незначительно, поэтому первый интеграл равенства (14) будет иметь сравнительно небольшое численное значение, и связанная с упрощением ошибка становится незначительной.

Решение второго интеграла равенства (14) упрощается путем использования усредненного

расхода пара на тарелке О = (Он + Ок 2. Интегрирование в этом случае по всей поверхности дает

У

т¥

О ы

- у) вР вР

(У*ф,- УI)

У* ф,

У

* к

и-ф,- У к

=

(15)

Арифметич

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком