Диссертация (Массопередача в процессе экстрактивной ректификации ароматических и неароматических углеводородов), страница 22

д. Дляразделения возьмем колонну, состоящую из 14 реальных ступеней, куба иконденсатора. Разделяющий агент будем подавать на первую массообменнуюступень (счет сверху). Поток пара будем поддерживать постоянным и равным0.0015 моль/сек. Ограничим концентрацию разделяющего агента в кубе на уровне0.95 мол. д., так как при таких высоких концентрациях N-метилпирролидонатемпература в кубе будет приближаться к 200 ºС и последний начнет заметноиспаряться, существенно снижая поток пара в колонне.Для режима постоянного состава дистиллата приведенная выше системаматериальных балансов (3.37) – (3.40) останется без изменений за исключениемуравнения для конденсатора, которое запишется следующим образом:142dz 0, jdt 0.(4.8)Изменяющийся поток дистиллята в каждый момент времени будетвычисляться на каждой итерации из уравнения материального баланса дляконденсатораDG1 y1, j  L0 z 0, jz 0, j,(4.9)где z0, j  const .Математическое моделирование проводили в полном соответствии сметодикой натурного эксперимента: на первом этапе в течение 4000 сек.

колоннаработала в безотборном режиме без подачи разделяющего агента до достижениястационарного состояния; далее начинали подачу N-метилпирролидона и велипроцесс в безотборном режиме в течение еще 1200 сек; затем начинали отбордистиллята. Результаты математического моделирования приведены на рисунках4.12 и 4.13.Z1, мол.д.1,0Конд5 ст.10 ст.13 ст.Куб0,90,80,70,60,50,40,30,20,10,0400050006000700080009000t, секРисунок 4.12. Концентрационные профили бензола в колонне экстрактивной ректификации,работающей в режиме постоянного состава дистиллята.143G, L, Dмоль/сек0,00160,00140,00120,00100,00080,00060,00040,00020,0000400050006000700080009000t, секРисунок 4.13.

Зависимости изменения расходов пара, флегмы и дистиллята от времени впроцессе периодической экстрактивной ректификации в режиме постоянного составадистиллята. Сплошная линия – поток дистиллята, штриховая линия – поток флегмы, штрихпунктирная линия – поток пара.На рисунке 4.12 отчетливо видны перестроения концентрационногопрофиля, связанные с подачей разделяющего агента, который вызывает инверсиюлетучестей в системе ( 4000  t  5200 сек.). Скачок концентраций бензола приt  5200 сек. связан с резким изменением материальных балансов в колонне приоткрытии отбора дистиллята. Далее концентрации бензола в кубе и на всехступенях за исключением конденсатора меняются монотонно. Концентрациябензола в конденсаторе, напротив, постоянна и составляет Z1  0.01 ( Z 2  0.99 )мол. д.

На рисунке 4.13 приведен график изменения расходов потоков флегмы идистиллята во времени, согласно которому при проведении натурного разделениясмеси бензол – гептан периодической экстрактивной ректификацией (привышеописанных исходных данных) необходимо регулировать процесс в ручномрежиме для поддержания состава дистиллята постоянным ( Z 2  0.99 мол.

д.).Построенная динамическая модель может быть крайне полезна и длярешения задач в области непрерывной экстрактивной ректификации, в частности144для расчета пусковых и остановочных режимов, где процесс протекаетнестационарно.Расчет разного рода аварийных ситуаций, который производится припроектировании ректификационных установок, также требует применениядинамических моделей процесса, однако, в этом случае описанная в работемодель требует доработки.

К таким аварийным ситуациям относятся, например,режимы с перекрытием потока флегмы в колонну, или заглушением выхода паровиз колонны, что также протекает нестационарно.1455. Выводы1) На основе экспериментально измеренных профилей концентраций итемператур в процессах простой и экстрактивной ректификацииопределено распределение фазовых сопротивлений массоотдаче ипредложены формулы для расчета коэффициентов массоотдачи в жидкойи паровой фазах в процессе экстрактивной ректификации.2) Выявлено три режима массоотдачи в жидкой фазе в зависимости отрасходов флегмы и РА в колонне: в первом – перенос веществаосуществляется в основном молекулярной диффузией; во втором – РАинтенсифицирует массоперенос, и он становится более эффективным,чем при простой ректификации; в третьем – конвективный массопереносдостигаетнаибольшейэффективностииувеличениерасходаразделяющего агента не оказывает влияния на кинетику процесса.3) Предложена методика расчета периодических процессов простой и ЭР набазе коэффициентов массоотдачи и показано их удовлетворительноесогласование с экспериментальными данными.4) На основе экспериментального изучения фазового равновесия жидкость– пар в четырехкомпонентной системе бензол – гептан – Nметилпирролидон – сульфолан, а также в трехкомпонентных и бинарныхсистемахееобразующих,определеныпараметрыбинарноговзаимодействия уравнения NRTL для коэффициентов активностикомпонентов.5) Расширены возможности известной методики [117] расчета равновесия всистемах с расслаиванием за счет вычисления параметров бинарноговзаимодействияотносительносуммарногосостава жидкойфазы,варьируя коэффициент φ в уравнении NRTL, характеризующийструктуру раствора.

Адекватность методики проверена на основеэкспериментальных данных по фазовому равновесию жидкость – пар ижидкость – жидкость. Проведено моделирование фазового равновесия146жидкость – жидкость – пар в четырехкомпонентной системе бензол –гептан – N-метилпирролидон – сульфолан и установлены областигомогенных и гетерогенных жидких фаз.6) Экспериментальным и расчетным путем подтверждено наличие всистеме бензол – гептан инверсии коэффициента относительнойлетучести в присутствии РА и образование псевдоазеотропа.7) Проанализировано влияние расслаивания жидкости на селективность РАи установлено, что в областях гетерогенных жидких фаз селективностьразделяющих агентов снижается.1476.

Список сокращений и условных обозначенийAa , Ba , Ca - коэффициенты в уравнении Антуана (3.13);A , B - коэффициенты в уравнении (3.22);a - удельная поверхность насадки, м2/м3;a e - эффективная поверхность насадки, м2;a p - геометрическая поверхность насадки, м2;bij - параметр бинарного взаимодействия NRTL, Дж/моль;b y , bz - эмпирическая константа в таблице Т2;C, E- коэффициенты в уравнении (3.30);c - мольная плотность, моль/м3;cA- мольная плотность на межфазной поверхности, моль/м3;cb - мольная плотность в объеме фазы, моль/м3;cl - локальная мольная плотность, моль/м3;D - расход дистиллята, моль/с;Dm - коэффициент диффузии, м2/с;Dij - коэффициент бинарной диффузии, м2/с;dc - внутренний диаметр колонны, м;d e - эквивалентный диаметр насадки, м;d p - ширина элемента насадки, мм;E m - КПД по Мерфри;F - расход питания колонны, моль/с;Fсв - доля свободного объема насадки, м3/м3;f - площадь межфазной поверхности, м2;f e - эффективная площадь межфазной поверхности, м2;f i - площадь межфазной поверхности i -й ступени, м2;Fr L2уд a2g- число Фруда;148G- расход пара, моль/с;Gi - расход пара, выходящего с i -й ступени, моль/с;Gij , Gii - параметр в уравнении (3.10, 3.11);Gуд - удельный расход пара, моль/(м2 с)Ga gd e3  22- число Галилея;g - ускорение свободного падения, м/с2;H - высота насадочного слоя, м;H p - высота одного пакета насадки, м;H  - общая удерживающая способность колонны, моль;H , fr - удельная удерживающая способность насадки, м3/м3;H  ,i - общая удерживающая способность i -й ступени, моль;H Д - динамическая удерживающая способность колонны, моль;H ст - статическая удерживающая способность колонны, моль;hc - параметр, характеризующий рифление насадки, м;h0 y - общая высота единицы переноса, рассчитанная по концентрациямкомпонентов в паровой фазе, м;hz- высота единицы переноса в жидкой фазе, м;hy - высота единицы переноса в паровой фазе, м;J,U- коэффициенты в уравнении (3.35);K s - коэффициент разделения;KG- коэффициент массопередачи, рассчитанный по концентрациямкомпонентов в паровой фазе, моль/(м2 с);KL- коэффициент массопередачи, рассчитанный по концентрациямкомпонентов в жидкой фазе, моль/(м2 с);K yi- коэффициент массопередачи, рассчитанный по концентрациямкомпонентов в паровой фазе на i -й ступени, м/с;149- коэффициент массопередачи, рассчитанный по концентрациямK ziкомпонентов в жидкой фазе на i -й ступени, м/с;k i - константа фазового равновесия;L - расход флегмы, моль/с;Li - расход флегмы, стекающей с i -й ступени, моль/с;Lуд - удельный расход жидкости, кг/(м2 с);LW- потерянная работа, Дж;lc - длина канала для прохождения фазы в элементе насадки, мl p - высота элемента насадки, мм;M - поток вещества через межфазную поверхность, моль/с;M i - поток вещества через межфазную поверхность на i -й ступени, моль/с;M m - молекулярная масса, г/моль;m - тангенс угла наклона равновесной линии;m s - масса пробы, г;mst - масса стандарта, введенного в пробу, г;N- число единиц переноса в фазе;N 0 - общее число единиц переноса;N i , j - количество j -го компонента на i -й ступени, моль;N st - число ступеней разделения, шт;n- количество легкой жидкой фазы, моль;n- количество тяжелой жидкой фазы, моль;nd30 - показатель преломления жидкости при 30 С;P - абсолютное давление, кПаP - давление легкой жидкой фазы, кПаP - давление тяжелой жидкой фазы, кПаPb - давление кипения, кПа;Pi 0 - давление насыщенного пара i -го компонента, кПа150pi - парциальное давление пара i -го компонента, кПаq i - калибровочный коэффициент в уравнении (2.1), кПаR - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль К);ri - мольная теплота испарения i -го компонента, Дж/моль;Re y Re z Swy d e  yFсв  y4 Lудa z- число Рейнольдса для паровой фазы;- число Рейнольдса для жидкой фазы;- расход разделяющего агента, моль/с;S i - расход РА, поступающего на i -ю ступень, моль/с;S ip - площадь хроматографического пика компонента, мВ с;S stp - площадь хроматографического пика стандарта, мВ с;S total - полное изменение энтропии, Дж/Кsij - селективность РА при разделении компонентов i и j ;sr- скорость обновления межфазной поверхности, с-1;Sc Shz  D12- число Шмидта;H Lhz aV c z D12z- число Шервуда для жидкой фазы;T - температура, K;T  - температура легкой жидкой фазы, K;T  - температура тяжелой жидкой фазы, K;Tb - температура кипения, K;t - время, сV- объем насадки, м3;W- расход кубового потока, моль/с;w - скорость движения фазы, м/сwe - эффективная скорость движения фазы, м/сwl - локальная скорость потока, м/с;151wy - скорость пара на полное сечение колонны, м/с;wV - удельная объемная скорость, м3/(м2 с);We L2уд d e- число Вебера;xi - состав легкой жидкой фазы, мол.

д.;xi - состав тяжелой жидкой фазы, мол. д.;Yi - относительный состав паровой фазы, мол. д.;y i - состав паровой фазы, мол. д.;Z i - относительный брутто состав жидкой фазы, мол. д.;z i - брутто состав жидкой фазы, мол. д.;zi , j - доля j -го компонента в жидкой фазе на i -й ступени, мол. д.;zSi, j - доля j -го компонента в потоке РА на i -й ступени, мол.