научная статья по теме СПЕЦИАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РЕКТИФИКАЦИИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ И ИХ ЗНАЧЕНИЕ В ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «СПЕЦИАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РЕКТИФИКАЦИИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ И ИХ ЗНАЧЕНИЕ В ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2013, том 47, № 4, с. 370-378

УДК 66.048.3

СПЕЦИАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РЕКТИФИКАЦИИ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ И ИХ ЗНАЧЕНИЕ В ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ © 2013 г. Л. А. Серафимов, Т. В. Челюскина, П. О. Мавлеткулова

Московский государственный университет тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова

eleven-thirteen@mail.ru Поступила в редакцию 28.12.2012 г.

Проанализированы специальные режимы ректификации бинарных и многокомпонентных смесей. Эти режимы играют определяющую роль при параметрической и структурной оптимизации. Все рассмотренные режимы связаны с наличием зон постоянного состава в каждой секции двухсекционной ректификационной колонны.

Б01: 10.7868/8004035711304012Х

ВВЕДЕНИЕ

К специальным относят режимы, которые невозможно реализовать в реальных условиях. Вместе с тем значение этих режимов в предпроектной разработке технологии выделения и очистки целевых органических продуктов очень велико. Поэтому их всестороннее исследование является актуальной задачей.

К режимам этого типа обычно относят все режимы, осуществляемые при бесконечной эффективности разделительного аппарата и, в частности, при бесконечной эффективности ректификационной колонны, разделяющей многокомпонентную смесь на различные фракции [1].

Настоящая работа посвящена анализу специальных режимов, а именно режимов: 1) четкой и получеткой ректификации; 2) обратимой ректификации; 3) первого класса фракционирования; 4) минимального флегмового числа, включая пинч-режимы.

В отличие от специальных режимов, к рабочим можно отнести режим при рабочем (конечном) флегмовом числе и режим при бесконечном флегмовом числе. Таким образом, вначале можно отметить существенное отличие между режимными переменными, такими как флегмовое число и число ступеней разделения (высота) ректификационной колонны. Первую переменную можно назвать рабочим параметром, в то время как число ступеней разделения является конструкционной переменной, которая определяется скалярной величиной, т.е. выражается числом.

Таким образом, хотя обе переменные определяют разделительную способность колонны, однако, флегмовое число, изменяясь от определенного, больше минимального, значения до беско-

нечности, дает рабочие режимы, реализуемые реально. В то время как число ступеней разделения (высота) колонны, которое также, изменяясь от определенного, минимально возможного, числа до бесконечности, реализует как рабочие, так и специальные режимы, не реализуемые на практике. Это теоретические режимы.

Если реализуется рабочий режим, то взаимосвязь флегмового числа и числа ступеней разделения для бинарных смесей дается некоторой кривой гиперболического вида, изображенной на рис. 1. Обе ветви рассматриваемой кривой асимптотически приближаются к определенным пределам: ЯтЬ, N^ да и Nmin, Я ^ да. Первый случай не-

N

Яп

Я

Рис. 1. Зависимость числа ступеней разделения от флегмового числа для случая бинарных смесей.

реализуем на практике, в то время как второй соответствует вполне реальному рабочему режиму.

Наконец, необходимо отметить, что флегмо-вое число, достигая минимума, перестает быть рабочим параметром и переходит в класс статических параметров, так как включает величины фазового равновесия жидкость—пар, становясь функцией равновесных составов. Этому значению флегмового числа соответствует вполне определенная балансовая линия, соединяющая точку конечного состава ректификации и точку, соответствующую термодинамическому равновесию жидкости и пара на определенной ступени разделения. Таким образом, минимальное флегмо-вое число инвариантно относительно того, исследуется ли колонна с непрерывным или дискретным изменением составов потоков жидкости и пара, а также рассматриваются теоретические ступени или расчет ведется по коэффициентам массопереноса. В этом смысле минимальное флегмовое число является функцией только состава исходной смеси, состава дистиллята и фазового равновесия рассматриваемой смеси.

Рассмотрим более подробно каждый из специальных режимов.

РЕЖИМ ЧЕТКОЙ И ПОЛУЧЕТКОЙ РЕКТИФИКАЦИИ

В случае реализации четкой ректификации любой из компонентов, находящихся в исходной смеси, целиком переходит или в дистиллят, или в кубовый продукт. В силу этого все компоненты распределены между двумя фракциями, получаемыми в результате ректификации [1]. Если п-компонентная смесь зеотропна, то ей соответствует п — 1 способ разделения в одной колонне. Каждому способу разделения соответствует свое количество компонентов в дистилляте и кубовом продукте (табл. 1).

Число способов разделения соответствует числу границ деления п-компонентной смеси на фракции. Каждая граница деления предусматривает переход г компонентов в дистиллят, а (п — г) — в кубовый продукт. При этом для дистиллята реализуется одно из условий

1 < г < (п -1). (1)

Кубовому продукту соответствует условие

(п -1) > (п - г) > г. (2)

Учет этих двух условий всегда дает общее число компонентов разделяемой смеси.

Исчезновение или появление одного из компонентов при движении вдоль траектории ректификации, которая характеризует распределение компонентов по высоте ректификационной колонны, соответствует бесконечной эффективно-

Таблица 1. Реализация режима четкого разделения для смесей с числом компонентов 3 < п < 10

Концентрационный симплекс Четкие разделения

первое заданное промежуточные второе заданное

Треугольник 1/2 0 2/1

Тетраэдр 1/3 2/2 3/1

Пентатоп 1/4 2/3 3/2 4/1

Гексатоп 1/5 2/4 3/3 4/2 5/1

Гептатоп 1/6 2/5 3/4 4/3 5/2 6/1

Октатоп 1/7 2/6 3/5 4/4 5/3 6/2 7/1

Нонатоп 1/8 2/7 3/6 4/5 5/4 6/3 7/2 8/1

Декатоп 1/9 2/8 3/7 4/6 5/5 6/4 7/3 8/2 9/1

Числитель — число компонентов в дистилляте, знаменатель — число компонентов в кубовом продукте.

сти. Она, в свою очередь, соответствует вполне определенному составу смеси.

Так как, в общем случае, зеотропная п-компо-нентная смесь состоит из компонентов разной летучести, это может быть представлено кортежем температур кипения этих компонентов при определенном давлении:

(т1 < т2 < т3 <... < тП-1 < гЩ). (3)

Таким образом, при допущении четкого разделения бесконечная эффективность примыкает в концентрационном симплексе к одному из элементов этого симплекса, соответствующему фракции или дистиллята, или кубового продукта. Иными словами, в случае четкой ректификации прямая общего материального баланса, проходя через точку состава исходной смеси, связывает граничные элементы концентрационного симплекса, сумма компонентности которых равна п. В отличие от других режимов, рассматриваемый режим не включает ни одну из вершин, соответствующих среднекипящим компонентам.

Режиму четкого разделения соответствуют две зоны постоянного состава, соответствующие составам дистиллята и кубового продукта. Режим четкого разделения реализуется при любом флег-мовом числе от ЯтЬ до Я = да.

Режим получеткого разделения предусматривает отсутствие в одном из конечных продуктов каких-либо компонентов, в то время как в другом конечном продукте могут присутствовать все компоненты разделяемой смеси. Естественно, в состав последнего войдут компоненты с концентрациями, отличающимися от их концентраций в исходной смеси.

Ь

Ь

Ь

ТП

WFFF FF FF FD

X %1 %2 Х3 Х4 X X 5 Хб Х7 X

F F

Рис. 2. Обратимая ректификация: (Х1 ... Х7) — континуум исходных смесей различных составов.

Рис. 3. Величины потока жидкой фазы по высоте ректификационной колонны, разделяющей бинарную

У

X

РЕЖИМ ОБРАТИМОЙ РЕКТИФИКАЦИИ

Режим обратимой ректификации предусматривает, что зона постоянных концентраций находится не в окрестности точки, а представляет собой некоторый континуум протяженностью от состава кубового продукта до состава дистиллята. Таким образом, траектория ректификации есть совокупность состояний фазового равновесия жидкость—пар. Известно, что процесс ректификации, независимо от компонентности разделяемой смеси, является потенциально обратимым [2]. Такой процесс самостоятельно не идет, его по меткому выражению автора [3] "ведут". Лучше всего представить этот процесс для случая бинарной смеси, где в каждой точке состав жидкости является равновесным составом. Можно представить такой процесс как совокупность (континуум) ректификации, например, бинарных смесей разного исходного состава при минимальных флегмовых числах и с одними и теми же составами дистиллята и кубового продукта. На рис. 2 представлен рассматриваемый случай ректификации бинарной смеси в режиме обратимой ректификации.

В общем случае, учитывая, что состав хр является как бы переменным при переходе от одного уровня колонны к другому, величина минимального флегмового числа рассчитывается с помощью выражения

D F

Д = ГХ -У аХF

лшт _ I F р^ '

W У - Х

(4)

а величина максимального парового числа — с помощью выражения

= I

Р W Х - Х , Р

■ах .

Р Р

D У - Х

(5)

Учитывая, что все величины х(- , за исключением одной, обозначаемой нами как хр, фиктивны, можно в интервале значений хр—хD использовать выражение (4), а в интервале х^— хр — выражение (5). Если исходная смесь подается при температуре кипения, то в каждой точке фиктивного состава:

Дшт - ®

D р

Х - у

шах р W ' Х - Х

(6)

На рис. 3 представлено распределение потока жидкости Ь по высоте ректификационной колонны Н. LТП достигается на уровне подачи исходной смеси с концентрацией хр.

РЕЖИМ ПЕРВОГО КЛАССА ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ

Этот режим предусматривает при разделении многокомпонентной смеси допущение, что состав на уровне питания равен составу исходной смеси [4].

В общем случае состав на уровне питания при ректификации многокомпонентных смесей, за редким исключением [5, 6], никогда не равен составу исходной смеси. Это условие реализуется только в режиме обратимой ректификации. Режим первого класса фракционирования сохраня-

Х

о

(а) (б)

Рис. 4. Взаимное расположение ноды жидкость—пар исходной смеси и линии материального баланса в режиме первого класса фракционирования (четкое разделение).

ет обратимость только на уровне питания, в то время как на других уровнях протекает необратимый процесс ректификации. Редким исключением является случай, описанный в работ

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