Ректификационная очистка органических растворителей

Оглавление
Введение
1.Варианты разделения при ректификации многокомпонентных органических азеотропных смесей
2.Достаточное условие разделения в простой адиабатической колонне
3. Достаточное условие разделения органических растворителей в простой ректификационной колонне
4. Достаточное условие разделения в многосекционных колоннах
5. Эффективность массопередачи при ректификации многокомпонентных смесей
Заключение
Обозначения
Список использованных источников

5. Эффективность массопередачи при ректификации многокомпонентных смесей
Изучение массообмена в многокомпонентных системах в настоящее время проводят на основе общих закономерностей, присущих бинарным смесям [1]. На основе этих закономерностей сформулированы общие принципы методов расчета процессов ректификации и абсорбции много-компонентных смесей, однако многокомпонентные смеси имеют некоторые принципиальные отличия от бинарных. Одним из таких отличий является экстремальный характер профилей концентраций компонентов по высоте аппаратов. Кроме того, при массопередаче многокомпонентных смесей могут происходить такие явления, как осмотическая диффузия, реверсивная диффузия и диффузионный барьер.
Методы расчета процесса ректификации позволяют определить число теоретических тарелок (ЧТТ), обеспечивающее достижение состояния равновесия между покидающими данную тарелку потоками пара и жидкости. Понятие эффективности контактных устройств вводится для перехода от теоретических ступеней контакта к реальным [1].
Наиболее часто эффективность массопередачи выражают как отношение изменения какого-либо параметра процесса на реальном контактном устройстве к изменению этого же параметра на идеальном контактном устройстве. В расчетной практике используют эффективность по Мэрфри, где в качестве изменяемого параметра применяется концентрация компонента (у - массовая концентрация компонента в паровой фазе, х - массовая концентрация компонента в жидкой фазе) [2].
При массопередаче в многокомпонентных смесях состав потоков, покидающих контактное устройство, определяется матричными уравнениями (1) и (2), которые идентичны выражениям для эффективности по Мэрфри в бинарных смесях [3, 4]:
где n - номер тарелки, а [.ЕMV] и [ЕML] - матрицы эффективности, учет взаимного (бинарного) влияния компонентов друг на друга.
Применение матричных уравнений массопередачи в практических расчетах ректификации многокомпонентных смесей сопряжено со значительными трудностями, особенно для смесей, состоящих из большого числа компонентов, и при сложной гидродинамической обстановке на контактных устройствах. Это объясняется тем, что на каждой тарелке аппарата необходимо находить значения матриц кинетических коэффициентов и вычислять соответствующие функции от матриц [3].
Следует отметить, что в течение последних десятилетий во всем мире проводились интенсивные исследования, направленные на развитие методов описания фазового равновесия систем природных углеводородов [5]. К ним относятся уравнение Пенга – Робинсона и уравнение Редлиха – Квонга, а также его многочисленные модификации [6-8]. Теоретической основой всех этих уравнений является сформулированное голландским физиком Ван-дер-Ваальсом уравнение состояния [5]. Следовательно, целесообразным является изучение эффективности массопередачи с использованием современных методов математического моделирования фазового состояния и теплофизических свойств нефтегазоконденсатных систем.
Интересным представляется определить диапазон возможных значений эффективности массопередачи в многокомпонентных смесях, а также провести анализ влияния погрешностей определения равновесных концентраций на эффективность и рассчитать фактические концентрации покидающих контактное устройство потоков (реальный контакт) при условии равного значения эффективности массопередачи для всех компонентов смеси.
Расчет равновесных составов покидающих контактное устройство потоков производился с помощью универсальной программы для моделирования технологических процессов HYSYS фирмы HYPROTEC по известным расчетным методикам (уравнениям Пенга – Робинсона (PR) и Со-ав – Редлиха – Квонга (SRK). Для этого была создана расчетная модель процесса массопередачи (рис. 10).
Рис. 10. Расчетная модель процесса массопередачи: TT – теоретическая тарелка; Lbx – поток жидкости на входе; Vbx – поток пара на входе; Lbix* – равновесный поток жидкости на выходе; Vbix* – равновесный поток жидкости на выходе.
Для потоков на входе в контактное устройство задавались температура, давление, расходы, массовые концентрации. На выходе определялись равновесный массовый состав и температура потоков. Аналогичные расчеты проводились для всех десяти экспериментов при различных параметрах и составах входящих потоков.
Таким образом, имея в результате составы потоков на входе yвх , xвх и выходе yвых, хвых и равновесные составы потоков определяли общую эффективность массопередачи по каждому компоненту по Мэрфри для паровой EMV (3) и жидкой фаз EML (4) [2]:
Подобные расчеты были выполнены для всех десяти экспериментов и по результатам была составлена таблица значений эффективности массопередачи по парам и по жидкости, из которой следует, что эффективность принимает различные значения ( E < 0;0 < E <1; E >1), в то время как для бинарных систем 0 < E <1.
Для оценки влияния способа определения равновесных концентраций компонентов смеси на эффективность для каждого эксперимента были рассчитаны абсолютные отклонения эффективностей и концентраций по формулам (5) и (6) и построены гистограммы:
На рис. 11 приведена гистограмма для одного эксперимента.
Рис. 11. Гистограмма расхождений значений концентраций и эффективностей массопередачи.
Из гистограммы видно, что даже незначительные расхождения в рассчитанных различными способами значениях концентраций могут привести к значительным ошибкам в вычислении эффективности массопередачи.
Результаты исследований могут быть применены для расчета массообменных аппаратов. В частности, выше было показано, что способ определения составов покидающих контактное устройство потоков, при постоянном значении эффективности для всех компонентов смеси, обеспечивает допустимые расхождения расчетных значений с экспериментальными, а следовательно, может быть использован для расчета массообменных аппаратов в качестве приближенного метода, который исключает применение сложных матричных уравнений.
Методы приближенного расчета следует применять при предпроектной проработке узлов разделения, оптимизации и автоматизации массообменных установок, а также при определении первого приближения в точных методах расчета [3].
Заключение
Промышленность основного органического синтеза вносит большой вклад в образовании органических растворителей, а также побочными продуктами являются жидкие и твердые отходы, которые зачастую являются экотоксикантами и ведут к потерям значительного количества ценных компонентов, а также загрязняют природные воды и атмосферный воздух.
Разработка малоотходных ресурсосберегающих технологий, в том числе и ректификационных установок, в химической промышленности позволит снизить затраты энергии, сократить нормы расхода сырья и уменьшить нагрузку на окружающую среду, а также выделить дополнительные количества целевого и побочных продуктов.
Обозначения
В - поток нижнего продукта, кг-моль/ч;
D - поток верхнего продукта, кг-моль/ч;
Е - поток энтрайнера, кг-моль/ч;
F - поток питания, кг-моль/ч;
L - поток жидкости в колонне, кг-моль/ч;
N~ - неустойчивый узел пучка траекторий сек-ции;
n - число компонентов;
N+ - устойчивый узел пучка траекторий секции;
пг - число тарелок в верхней секции колонны;
ns - число тарелок в нижней секции колонны;
S - седловая особая точка пучка траекторий секции;
У- поток пара в колонне, кг-моль/ч;
х- состав жидкости на тарелках колонны, мол. д.;
у - состав пара на тарелках колонны, мол. д.;
К - коэффициент фазового равновесия компо-нента;
а - многообразие, на котором коэффициенты фазового равновесия некоторых компонентов равны друг другу;
с - коэффициент избытка флегмы.
Список использованных источников
Айнштейн В.Г. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. - М.: Химия, 2002. - 1758 с.
Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Ч.2. - М.: Химия, 2002. - 368 с.
Зюлковский З. Жидкостная экстракция в химической промышленности. - Л.; Госхимиздат, 1963. - 479 с.
Карпачева С.М., Захаров Е.И. Пульсирующие экстракторы. - М.: Атомиздат, 1964. - 299 с.
Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Химия, 1973. - 750 с.
Меретуков М.А. Процессы жидкостной экстракции и ионообменной сорбции в цветной металлургии. - М.: Металлургия, 1978. - 120 с.
Плановский А.Н., Рамм В.М. Процессы и аппараты химической технологии. - М., изд-во Химия, 1966. - 848 с.
Проскуряков В.А. Шмидт Л.И Очистка сточных вод в химической промышленности. - Л. Химия, 1977. - 464 с.
Ягодин Г.А., Каган С.З. Основы жидкостной экстракции. - М.: Химия, 1981. - 400 с.
18