Q_k – параметр площади для функциональной группы k;

x_i – мольная доля компонента i в жидкой фазе.

Материальный баланс процесса экстрактивной ректификации

Экстрактивная ректификация отличается от обычной тем, что в колонну кроме исходной смеси и флегмы вводят разделяющий агент, причем его расход чаще всего значительно превышает расходы других материальных потоков, что влечет за собой соответствующее изменение материального и теплового балансов процесса ректификации.

Ректификационная колонна состоит из 3 основных частей:

1) регенерационная, которая располагается выше точки ввода разделяющего агента и предназначена для очистки отбираемого дистиллата от разделяющего агента путем обычной ректификации;

2) укрепляющая, располагается между точками ввода исходной смеси и разделяющего агента. В ней происходит обогащение восходящего пара компонентами, отбираемыми в виде дистиллата;

3) исчерпывающая, расположенная ниже точки ниже ввода исходной смеси. Предназначена для выделения из истекающей жидкости компонентов, отбираемых в виде дистиллата.

В регенерационной части колонны мольные доли РА в паре( ), в жидкости ( ) и (х_р)_д связаны условием материального баланса по уравнению (1):

D = L + П(х_р)_д,где (х_р)_д концентрация РА в дистиллате(1)

Если (х_р)_д = 0, то =

(2)

Для произвольного сечения укрепляющей части экстрактивной колонны, если РА не содержит компонентов исходной смеси, то МБ по произвольному компоненту выражается уравнением:

D_n+1 y_n+1=L_nX_n+ПX_д илиу_{n+1 =} x _n + x_д(3)

где D, G, L и П- молярные расходы пара, разделяющего агента, жидкости и дистиллата; n -номер тарелки считая сверху вниз. [12]

Это уравнение выражает зависимость между концентрациями любого компонента в паре и жидкости, проходящих через произвольное сечение укрепляющей части колонны экстрактивной ректификации.

Материальный баланс произвольного участка исчерпывающей части колонны, включая куб, выражается уравнением:

L_m=D_m-1+G+W_k(4)илиy = - (5)

где W_k- молярный расход компонентов заданной смеси, отбираемой в виде кубового остатка; m- номер тарелки (снизу вверх).

где - приведенное флегмовое число исчерпывающей части колонны для экстрактивной ректификации.

В кубе имеет место скачкообразное возрастание концентрации РА, поскольку величина W_k всегда составляет лишь часть величины W для произвольной тарелки. При подаче в колонну исходной смеси в виде жидкости скачкообразное изменение концентрации РА происходит также на тарелке питания. В этом случае концентрация РА в укрепляющей части больше, чем в исчерпывающей. Соответственно с этим изменяются и условия равновесия между жидкостью и паром.

В зависимости от распределения концентрации РА по высоте колонны изменяется и температура. Наивысшую температуру кипения имеет кубовая жидкость с максимальной в ней концентрацией РА. Затем на ближайших к кубу тарелках температура резко понижается и далее по мере приближения к точке ввода РА температура продолжает медленно уменьшаться. Обусловлено это, с одной стороны, понижением температуры кипения в связи с возрастанием концентрации отгоняемого компонента, а с другой стороны,- уменьшением гидравлического сопротивления части колонны, находящейся выше рассматриваемого сечения. Выше точки ввода РА температура резко понижается в связи с резким уменьшением его концентрации. При подаче в колонну исходной смеси в виде жидкости вблизи тарелки питания происходит резкое изменение температуры, обусловленное скачкообразным изменением концентрации РА. [12]

Постановка задачи

Целью данной работы является поиск оптимальной схемы экстрактивной ректификации смеси бензол-циклогексан-этилбензол-н-пропилбензол, содержащей один бинарный азеотроп. Для этого необходимо выполнить:

• параметрическую оптимизацию традиционных схем экстрактивной ректификации;

• сравнение полученных результатов и выбор энергосберегающего решения.

Расчетно-экспериментальная часть

Программный комплекс PRO/ II

Данная программа предназначена для проектно-поверочного расчета и поверочного расчета химико-технологических процессов и, в частности, процесса ректификации. Программа включает широкий набор методов, позволяющих создавать модели для широкого круга систем, использующихся в различных отраслях химической промышленности. В программе совместно с термодинамическими методами могут также быть использованы транспортные свойства индивидуальных соединений и их смесей. Последние включают в себя вязкости паров и жидкости, теплопроводности паров и жидкости и диффузию жидкости. Расчет поверхностного натяжения на границе пар-жидкость, хотя это и не транспортное свойство, также относится к этой группе. Транспортные свойства находят применение в строгих расчетах теплопередачи, расчетах перепадов давления, расчетах колонн с ситчатыми тарелками и насадочных колонн.

Требования к аппаратным средствам

Для работы программы PRO/II требуется: IBM совместимый компьютер с процессором 80386 и выше, имеющий 4 и более мегабайта оперативной памяти. Операционная система MS Windows версия 3.1, Windows-95 или более поздняя версия.

Выходные данные программы

Отчет по колонне включает в себя: суммарные данные по колонне. Суммарные данные по колонне содержат температуры, давления, расходы, тепловые нагрузки по каждой тарелке, информацию по потокам сырья и продуктов и общие тепловой и материальный балансы. По умолчанию расходы выводятся в мольных единицах. Путем выбора соответствующего варианта может быть выведен дополнительный суммарный отчет в массовых, объемных или газовых объемных единицах: молекулярные веса, реальные плотности, реальные объемные расходы и транспортные свойства, энтальпии потоков и стандартные плотности жидкости, К.П.Д. тарелок и/или К.П.Д. тарелок для отдельных компонентов, диаграмма температур, давлений, мольных расходов, расходов сырья, и продуктов и тепловых нагрузок нагревателей/холодильников, суммарная нагрузка тарелок, отчет по составам, таблица извлечения компонента, отчет по сепаратору, отчет по теплообменнику.

Выбор исходной смеси и экстрактивного агента

В качестве объекта исследования была выбрана четырехкомпонентная смесь бензол – циклогексан – этилбензол – н-пропилбензол, содержащая один бинарный азеотроп на стороне бензол – циклогексан. Для разделения азеотропной пары применяется анилин, его применение рекомендовано авторами [12]. В табл.2 представлены физико-химические свой ства чистых компонентов и параметры азеотропа.

Таблица 2

Свойства чистых компонентов

Вещество	Ткип, ◦С	Тплавл., ◦С	Ткрит, ◦С	Ркрит, кг/см2	Плот-ность, кг/м3	Молекулярная масса, г/моль
Бензол	80,09	5,53	288,90	49,92	883,92	78,11
Циклогексан	80,72	6,54	280,39	41,54	782,65	84,16
Этилбензол	136,20	-94,95	344,00	36,80	870,96	106,17
н-Пропилбензол	159,24	-99,60	365,20	32,63	865,62	120,19
Анилин	184,35	-6,02	425,85	54,14	1025,5	93,13

Таблица 3

Параметры бинарного азеотропа бензол-циклогексан [28]

Ткип1,оС	Ткип2,оС	Ткип смеси,оС	Конц1, вес%	Тип азеотропа
80,09	80,74	28,4(128) *	49,4 мол%	гом
80,09	80,74	33,1(155)	49,8 мол%	гом.
80,10	80,75	39,99(–)	51,1 мол%	гом
80,09	80,74	48,3(287)	49,3 мол%	гом
80,09	80,74	50,4(307)	51,2 мол%	гом
80,09	80,74	63,7(495)	52,6 мол%	гом
80,09	80,74	69,8(602)	53,1 мол%	гом

________________

^*В скобках указано давление при котором проводилось измерение

Мы рассмотрели тройную смесь, разделяемую в комплексе экстрактивной ректификации при давлении 0,3 кг/см². В концентрационном симплексе мы определили ход альфа линий (рис. 6). Значения альфа линий представлены для пары компонентов 12, где 1 – циклогексан, 2 – бензол.

Рис. 6. Ход альфа-линий в смеси циклогексан-бензол-анилин при 0,3 кг/см²

В данном случае на рис. 6 единичная альфа линия делит симплекс на две области. Область α<1 прилегает к легкокипящему циклогексану. Здесь максимальным коэффициентом распределения обладает бензол, что делает невозможным выделение чистого циклогексана при нахождении состава питания в данной области.

В области α>1 циклогексан обладает максимальным коэффициентом распределения и может быть выделен в качестве дистиллата экстрактивной колонны. Поэтому нами был выбран эквимолярный состав исходного питания, при котором х_РА=0,8 (F:РА=1:4), где значение коэффициента относительной летучести α ≈ 8 (>2).

Тепловой баланс процесса экстрактивной ректификации

В качестве критерия оптимизации традиционного варианта организации процесса экстрактивной ректификации мы использовали суммарные энергетические затраты в кипятильниках колонн:

, (6)