научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ПРОДОЛЬНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦИКЛИЧЕСКОГО РЕЖИМА В ШНЕКОВОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИОННОЙ КОЛОННЕ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ПРОДОЛЬНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦИКЛИЧЕСКОГО РЕЖИМА В ШНЕКОВОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИОННОЙ КОЛОННЕ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2014, том 48, № 6, с. 665-676

УДК 66.065.5

ВЛИЯНИЕ ПРОДОЛЬНОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЦИКЛИЧЕСКОГО РЕЖИМА В ШНЕКОВОЙ КРИСТАЛЛИЗАЦИОННОЙ КОЛОННЕ © 2014 г. В. М. Мясоеденков, Г. А. Носов, Е. М. Хайбулина

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

myasoedenkov39@mail.ru Поступила в редакцию 10.01.2013 г.

Выполнен теоретический анализ влияния продольного перемешивания на эффективность разделения бинарной смеси в шнековой кристаллизационной колонне. Показано, что циклический режим работы колонны обеспечивает более высокую степень извлечения низкоплавкого компонента, нежели стационарный режим ее работы вне зависимости от интенсивности продольного перемешивания.

Ключевые слова: кристаллизация, кристаллизационная колонна, кристаллизатор, циклический режим, продольное перемешивание, эффективность разделения, массоперенос, математическая модель.

Б01: 10.7868/80040357114040095

ВВЕДЕНИЕ

Основным преимуществом непрерывных процессов вообще и массообменных в частности, по сравнению с периодическими, является большая возможность их автоматизации. Однако периодические процессы по сравнению с непрерывными при одинаковой структуре потоков обладают большей движущей силой процесса. Циклический метод проведения массообменного или любого другого процесса удачно сочетает преимущества периодического и непрерывного процессов в одном аппарате. Такой метод проведения массообменных процессов впервые был успешно использован для форсирования работы ситчатой экстракционной колонны [1—3]. Колонна была снабжена периодическими включающимися клапанами, установленными на линиях впуска и выпуска легкой и тяжелой фаз. Опубликованные результаты лабораторных исследований и сопоставления мас-сообменной способности распылительных экстракционных колонн, работающих в стационарном и циклическом режимах, показали преимущество последнего [4, 6, 7]. Теоретический анализ процесса циклической экстракции в ситчатой колонне при работе ее в стационарном и циклическом режимах показал причину преимущества последнего — возрастание движущей силы процесса массопереноса [5]. При этом было доказано, что в противоточном аппарате, в циклическом режиме, с конечным числом действительных ступеней N можно получить степень разделения, соот-

ветствующую числу теоретических ступеней, равному 2N. Сформулировано условие столь эффективного использования циклического режима. Это условие заключается в необходимости полной смены той и другой фазы за соответствующий период цикла.

Опубликованы также работы по применению циклических режимов и в других процессах — в ректификации, абсорбции и хроматографии [8—12].

Авторами работы [13] был выполнен теоретический анализ влияния режима работы массооб-менной зоны противоточного кристаллизатора на эффективность разделения бинарной смеси при условии, что структура потоков жидкой и твердой фаз соответствует одной ячейке полного смешения. Показано, что циклический режим работы обеспечивает более высокую степень извлечения низкоплавкого (примесного) компонента, нежели стационарный режим работы кристаллизатора.

В противоточных кристаллизаторах с непрерывным массообменом исходную смесь подают либо в центральную, либо в торцевую часть аппарата [14—16]. Аппараты с подачей питания в торцевую часть обычно состоят из четырех характерных зон: массообмена, охлаждения, плавления и фильтрования [14]. Исходная смесь в таких кристаллизаторах первоначально подается в зону охлаждения, где она частично кристаллизуется. Образовавшаяся суспензия направляется в зону фильтрования, где смешивается с маточником,

5

665

1-я ячейка

п-я ячейка

Ж-я ячейка

п — 1,2 %2

п,2т2

К, ХЖ - 1,2 т2

M, Уж,2т2

К, ХЖ,2т2

Рис. 1. Схема противоточной зоны кристаллизатора в период смены кристаллической фазы.

поступающим из зоны массообмена (противоточ-ного контактирования). В зоне фильтрования происходит отделение кристаллической фазы от жидкой, выводимой из аппарата в качестве низкоплавкого продукта. Из зоны фильтрования кристаллическая фаза направляется в зону массообме-на, где в противотоке с жидкой фазой обогащается высокоплавким компонентом. Далее кристаллы попадают в зону плавления, где полностью расплавляются. Часть образующегося расплава выводится из аппарата в виде высокоплавкого продукта, а часть возвращается в зону массообмена в качестве флегмы.

ТЕОРЕТИЧЕСКИМ АНАЛИЗ

Целью настоящего исследования является сопоставление циклического и стационарного режимов работы зоны массообмена кристаллизатора по степени извлечения и числу теоретических ступеней. При этом было принято следующее: процесс разделения определяется массоперено-сом в жидкой фазе [14]; теплоты плавления (кристаллизации) низкоплавкого (НПК) и высокоплавкого (ВПК) компонентов одинаковы, поэтому потоки кристаллов и маточника на входе и выходе из зоны массообмена неизменны.

1-я ячейка

N(к 1 - 1)

У1,1

®хХ2,1 + ^2,1

Х1,1

®хХ1,1 + ^1,1

юхХп,1 + ®уУ«,1

и-я ячейка

ахХп - 1,1 + (йууп - 1,1

N(Уп, 1 - Уп, 1)

Уп,1

Хп,1

ахХп + 1,1 + ®уУп + 1,1

+ ЮуУи,1 ®хХп - 1,1 + ЮуУп - 1,1 + ЮуУп + 1,1 ®хХп,1 + Юууп,1 ®хХп,1 + Юууп,1

Ы-я ячейка

+ юуу^,1

n( а 1- у^, 1)

уы,1 -«- ХЫ,1

Рис. 2. Схема противоточной зоны кристаллизатора в первый период массопереноса.

При циклическом режиме было также принято, что структура потоков в периоды массообмена соответствует симметричной ячеечной модели с рециркуляционными потоками фаз и с числом ячеек полного смешения N. В периоды смены фаз вытеснение фаз в каждой из ячеек происходит полностью и мгновенно в режиме идеального вытеснения (оптимальные условия циклического режима). Структура потоков (жидкой и твердой фаз) в зоне массообмена при стационарном режиме соответствует рециркуляционной модели продольного перемешивания с числом ячеек N.

Рассмотрим математическую модель зоны массообмена кристаллизационной колонны, работающей в циклическом режиме, структура которой соответствует произвольному числу ячеек полного смешения по обеим фазам в любой из периодов массообмена цикла (первый период - период подачи кристаллической фазы, второй период - первый пе-

риод массообмена, третий период - период подачи жидкой фазы, четвертый период - второй период массообмена). При этом предположим, что зона массообмена работает в режиме идеального цикла, т.е. при смене фаз предыдущая масса той или другой фазы вытесняется полностью свежей из предшествующей ячейки; смена обеих фаз происходит мгновенно.

Опишем более подробно каждый из периодов цикла, полагая в соответствии с ранее сказанным, что продолжительность цикла тс равна сумме про-должительностей периодов массообмена, первого и второго тс = т1 + т2; текущее время первого т и второго Т периодов массообмена изменяется соответственно в пределах т1 > т > 0 и т2 > т > 0.

При полной смене кристаллической фазы в п-й ячейке в первый период цикла ее состав по НПК в конце этого периода или в начальный момент первого периода массообмена будет равен составу кри-

МЯСОЕДЕНКОВ и др. М, У1,1Т1

1-я ячейка

к Х1,1Ч

М-, У2,1т1

M, Уп,1ч

п-я ячейка

К, хп,1т1

М Уп + 1,1т1

M, УN,1т1

^я ячейка xN,lт1

М Уп = -%,2т2

Рис. 3. Схема противоточной зоны кристаллизатора в период смены жидкой фазы.

сталлов на входе в ячейку хп,10 (рис. 1); для первой ячейки этот состав равен хп. При этом состав сменяемой кристаллической фазы будет равен составу этой фазы в конце четвертого периода цикла или второго периода массообмена хп 2Т2; для последней ^й ячейки этот состав равен х^, 2т2.

Второй период цикла, или не что иное, как первый период массообмена, характеризуется переменными значениями составов кристаллической фазы хп1 и жидкой фазы уп д (рис. 2.) от хп ,10 до Хп ДТ1 и, соответственно, от у^ю до у^ы.

При полной смене жидкой фазы в третий период цикла ее состав в п-й ячейке в конце этого периода или в начальный момент второго периода массообмена будет равен составу жидкой фазы на входе в ячейку уп+1 1т1. Состав жидкой фазы на входе в ^ю ячейку будет численно равен составу кристаллической фазы в конце второго периода массообмена в ^й ячейкеу ¡п = х^, 2т2 (рис. 3).

Четвертый период цикла, или не что иное, как второй период массообмена, характеризуется переменными значениями составов кристаллической фазы Хп , 2 и жидкой фазы уп , 2 от Хп , 20 до Хп , 2т2 и, соответственно, от уп, 20 до уп, 2т2 (рис. 4).

1-я ячейка

N(ур, 2 - ух. 2)

У 1,2

®х*2,2 + ®уУ2,2

®ххп,2 + ®уУп,2

п-я ячейка

N (у^п, 2 уп, 2)

Уп,2

ахкп + 1,2 + аууп + 1,2

^я ячейка

х1,2

Юх-1,2 + ЮуУ1,2

®ххп — 1,2 + ®ууп — 1,2

хп,2

®ххп,2 + ®уУп,2

+ ^N,2 (йxxN—

N(^ 2 - уМ, 2 )

У^2 - xN,2

Рис. 4. Схема противоточной зоны кристаллизатора во второй период массопереноса.

Составим уравнение материального баланса

для кристаллической фазы первой ячейки первого периода массообмена за элементарный промежуток времени по НПК (рис. 2):

К^йт = (у/д - уи)йт - ЮхХхд^т + юхх1Хйт, йт N

где К — масса кристаллической фазы в ячейке в любой период цикла; у/д — равновесное значение концентрации НПК в жидкой фазе, равное произведению коэффициента распределения Я на текущее значение НПК в жидкой фазе; ю Х — массовая скорость межъячеечных рециркуляционных потоков по кристаллической фазе.

После некоторых преобразований, получим

^ = Т С (ЯХЦ - уц) -Щг ТСХЦ + Щ ТеХ2,1, (1) й 0 NK К К

где 0 =--текущее относительное время первого

Тс

периода массопереноса.

Примем, что каждый период массообмена длится одинаковое относительное время, равное 0.5, так как продолжительность каждого из периодов впуска фаз равна нулю, согласно сделанному ранее допущению.

Соответствующее уравнение материального баланса для жидкой фазы первой ячейки первого периода массообмена имеет вид

йу/,1 р В ч юу , юу ™

~;7Г = Тс(Ях1Л - уц) --=у Тсухд +-=у Тсу2,1, (2) й 0 NM М М

где М — масса жидкой фазы в любой ячейке аппарата в любом периоде цикла, ю у — массовая скорость межъячеечных рециркуляционных потоков по жидкой фазе.

Составим аналогичные уравнения материального баланса для кр

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

Пoхожие научные работыпо теме «Химическая технология. Химическая промышленность»