Диссертация (Массопередача в процессе экстрактивной ректификации ароматических и неароматических углеводородов), страница 21

Дляисследованиявлияниярасходажидкостивколонненаэффективностьмассопередачи была проведена серия расчетов сопротивлений массоотдаче вфазах и общего сопротивления массопередаче при фиксированном расходе пара,величина которого была подобрана таким образом, чтобы скорость паровсоставляла 80% от предельной.

Число Рейнольдса для паровой фазы при этомсоставило Re y  102 . Результаты расчетов приведены на рисунке 4.8.1351/KG, 1/ L, 1/ G80706050403020100,00,51,01,52,02,53,03,5 RezРисунок 4.8. Зависимости сопротивлений массоотдаче в фазах, а также общего сопротивлениямассопередаче от нагрузки колонны по жидкости при фиксированной паровой нагрузке( Re y  102 ) в процессе ректификации смеси бензол – гептан: сплошная линия – 1 K G ,штриховая линия – 1  L , штрих-пунктирная линия – 1  G .Результаты расчетов (см.

рисунок 4.8) показали, что при Re z  1 (малыхфлегмовых числах) все сопротивление массопередаче сосредоточено в жидкойфазе, в то время как сопротивление в паровой фазе незначительно, однако по мереувеличения расхода жидкости в колонне доля сопротивления в жидкой фазеснижается за счет интенсификации конвективного переноса. При числах Re z  3.5 ,что соответствует бесконечному орошению колонны, доли сопротивлений в пареи жидкости выравниваются.Очевидно, что при уменьшении сопротивлений массоотдаче в фазах сростом Re x коэффициент массопередачи в паровой фазе будет возрастать (см.рисунок 4.9).136KG,  L,  G0,100,090,080,070,060,050,040,030,020,010,00,51,01,52,02,53,03,5 RezРисунок 4.9. Зависимости коэффициентов массоотдачи в фазах, а также коэффициентамассопередачи от нагрузки колонны по жидкости при фиксированной паровой нагрузке( Re y  102 ) в процессе ректификации смеси бензол – гептан: сплошная линия – 1 K G ,штриховая линия – 1  L , штрих-пунктирная линия – 1  G .4.5.

Массоотдача в жидкой фазе в процессе экстрактивной ректификациисмеси бензол – гептан в присутствии N-метилпирролидонаСогласноосновномууравнениюмассопередачи(3.42)воздействиеразделяющего агента на процесс ректификации может проявляться как на статикупроцесса, так и на кинетику.ВпроцессеректификацииРАзасчетизменениякоэффициентаотносительной летучести влияет на движущую силу переноса вещества и за счетизменения вязкости жидкости, коэффициента молекулярной диффузии и тангенсаугла наклона равновесной зависимости влияет на коэффициенты массопередачи.Для описания массоотдачи в жидкости в процессе простой ректификацииранее нами было использовано уравнение [90] c определенными в настоящейработе параметрами: z  0.00176D12zRe 0z.9 Scz0.5 .(4.6)137Поскольку и коэффициент диффузии, и вязкость жидкости входят в числаRe zиSc z ,то, опираясь на уравнение (4.6), для оценки влияния N-метилпирролидона на эффективность переноса вещества в жидкой фазе былиRe z  0.9 , SczED Scz  0.5 , апроанализированы зависимости соотношений чисел Re EDzтакже соотношение D12z ED  D12z  ED  от отношения потоков N-метилпирролидона ифлегмы в колонне.

Числа Рейнольдса и Шмидта для смеси бензол – гептан, атакже для смеси бензол – гептан в присутствии N-метилпирролидона вычислялипо уравнениям (3.24), (3.25). Коэффициент бинарной диффузии смеси бензол –гептан в присутствии N-метилпирролидона рассчитывали с помощью выражения[165]:D12z ED M m 3D z  D z  12   z3 M m 2  13 . D12z 1   zzzzDzDzD1 232 133 12(4.7)Зависимости перечисленных критериев, влияющих на массоотдачу вжидкостивприсутствииN-метилпирролидонаотсоотношенияпотоковразделяющего агента и флегмы, приведенные на рисунке 4.10, сопоставим сэкспериментальными данными по эффективности массопереноса в жидкой фазе впроцессе экстрактивной ректификации, представленными на рисунке 3.12 [150].138(Dz EDzED/ D 12) (/ )12ReScED/RezzED/Sczz1,61,41,21,00,80,60,40,20,30,40,50,60,70,80,91,0ln((L+S)/L)Рисунок 4.10.

Зависимости соотношений параметров, влияющих на массоотдачу в жидкой фазепри экстрактивной и простой ректификации, от соотношения расходов: сплошная линия –SczED Scz 0.5 ; штриховая линия – Re EDRe z 0.9 ; штрих-пунктирная линия – D12z ED D12z  ED .zСовместный анализ данных на рисунках 4.10 и 3.12 показал, что в диапазонесоотношенийсоотношения0  ln L  S  L   0.45Dпроисходитсущественноеуменьшение  D12z  ED  главным образом за счет увеличения вязкостиz ED12жидкости. Также происходит увеличение толщины пленки жидкости изатруднение переноса вещества в ней. Снижается коэффициент бинарнойдиффузиипарыбензол–гептанвприсутствииN-метилпирролидона.Соотношение критериев Рейнольдса при этом близко к единице и не оказываетсущественного влияния на массоотдачу, в то время как рост соотношениякритериев Шмидта несколько нивелирует падение соотношения D12z ED  D12z  ED  .

Вцелом на данном участке изменения соотношения ln L  S  L  эффективностьмассоотдачи в жидкой фазе снижается, что на рисунке 3.12 выражается в ростевысоты единицы переноса.В области 0.45  ln L  S  L  0.7 к возрастающему соотношению чиселШмидта добавляется рост соотношения чисел Рейнольдса. Это приводит к139турбулизации потока жидкости и существенной интенсификации переносавещества в жидкой фазе, благодаря чему высота единицы переноса в жидкой фазесущественно понижается вплоть до значений, меньших, чем при простойректификации бинарной смеси бензол – гептан.Дальнейшее повышение расхода разделяющего агента ln L  S  L   0.7 кинтенсификации процесса массоотдачи в жидкой фазе не приводит, посколькупри значениях ln L  S  L   0.7 достигается режим течения жидкости близкий кполному перемешиванию, в результате чего влияние всех параметров намассоотдачу вырождается, и повышение расхода N-метилпирролидона вышезначенияS  L 1  e 0.

7сточкизрениякинетикипроцессастановитсянецелесообразным.4.6. Применение математической модели процесса периодическойэкстрактивной ректификации на практикеПрименение математического моделирования при решении задач поразделению смесей методом периодической ректификации существенно упрощаеткак аппаратурное оформление процесса, так и непосредственно методику егопроведения.

Во-первых, при помощи модели можно определить зависимость всехпараметров процесса от времени, что в процессе разделения методомэкстрактивной ректификации позволяет контролировать минимальное количествопараметров. Во-вторых, моделирование позволяет подобрать оптимальныеусловия разделения, при которых отбор целевого продукта будет максимальным.Особо полезно предварительное моделирование периодического процессаЭР в режиме постоянного состава дистиллята, поскольку такой процессподразумевает непрерывное изменение во времени флегмового числа в колонне.Процессприпостоянномсоставедистиллята,несмотрянаочевидныепреимущества по полноте отбора целевого компонента проводят редко из-засложностиаппаратурногооформления,таккактребуетсяпостояннаяавтоматическая регулировка флегмового числа.

В качестве примера на рисунке1404.11 приведены два варианта автоматического регулирования флегмового числапо температуре верха колонны.116FICTI33TIСеть44Сеть225(а)(б)Рисунок 4.11. Схемы регулирования флегмового числа в колонне периодическойректификации: (а) – за счет регулирования потока пара; (б) – регулирование потокадистиллята; 1 – конденсатор, 2 – куб, 3 – датчик-транслятор измерения температуры, 4 –регулирующее устройство, 5 – исполнительный механизм (включая трансформатор), 6 –исполнительный механизм (включая привод клапана).Поскольку состав жидкости в верхнем сечении колонны определяеттемпературу кипения жидкости, то очевидно, что, поддерживая постояннойтемпературу верха, можно поддерживать постоянным состав дистиллята.

Нарисунке 4.11 (а) показана схема регулирования флегмового числа через изменениеколичества тепла, подаваемого на обмотку куба. Работа по такой схеме имеет рядсущественных недостатков: во-первых, регулирование через теплоподвод менееточно из-за инерционности системы, во-вторых, максимальное количествоподводимого тепла в куб ограничивается предельными паровыми нагрузками, прикоторыхколонназахлебывается.Схеманарисунке4.11(б)болеепредпочтительна, однако требует более сложного механического оборудования(регулирующийклапансприводом).Уобеихсхемавтоматическогорегулирования, приведенных на рисунке, как и у любых других возможных, есть141общий существенный недостаток: если объем загрузки в куб будет мал посравнению с расходом дистиллята, то изменение температуры верха будетпроисходитьнастолькобыстро,чторегулятор4небудетспособенстабилизировать управляющий сигнал, что приведет к ошибкам регулирования исбоям в процессе.Предварительное математическое моделирование позволяет существенноупростить проведение реального процесса и отказаться от автоматическогорегулирования в пользу ручного.Процесс периодической ЭР в режиме постоянного состава дистиллята посравнению с процессом простой периодической ректификации осложняется тем,что помимо изменения концентрационного профиля в колонне за счет отборадистиллята, происходит изменение профиля за счет изменения коэффициентаотносительной летучести разделяемых компонентов, которое в свою очередьвозникает из-за постоянного изменения соотношения расходов разделяющегоагента и флегмы в колонне.Рассмотрим задачу по разделению 2.8 моль смеси бензол – гептан составаz1  0.3 методом периодической экстрактивной ректификации в режимепостоянного состава дистиллята, в рамках которой разделим смесь бензол –гептан в присутствии N-метилпирролидона с расходом 0.0045 моль/с дляполучения потока дистиллята с концентрацией гептана не ниже 0.99 мол.