Диссертация (Массопередача в процессе экстрактивной ректификации ароматических и неароматических углеводородов), страница 7

После определения доминантных паростальные компоненты авторы считали распределенными между ними. Принявполученные данные за начальные приближения, минимизировали энергию Гиббсакак функцию составов и получали составы равновесных жидких фаз. Далее путемразделения каждой жидкой фазы еще на две и объединением двух новых фазнаиболее близких по составу авторы получали начальные приближения длятрехфазной системы, после чего снова проводили минимизацию энергии Гиббса итак далее до достижения глобального минимума.Расчет фазового равновесия в трехфазной системе путем решенияуравнений материальных балансов и фазовых равновесий проведен в [127].

Вработе предложена система уравнений, решение которой при постояннойтемпературе и давлении полностью определяет все параметры многофазнойсистемы:k i  yi xi , k i  yi xi ,N(1.19)zi 1  ki   1     1   1    k  0,(1.20)  1     1   1    k  k   k   0 ,(1.21)i 1Ni 1iki  kizi 1  ki kiiii36где  и  – доля паровой и доля легкой жидкой фазы соответственно.Выражение для расчёта фазового равновесия жидкость – жидкость полученоаналогично выражениям (1.20) и (1.21), принимая   0 , а также используякоэффициент распределения в виде (1.23) [117]:Nzi   1   k   1  0(1.22)k i  xi xi(1.23)i 1iЭкспериментальноеисследованиефазовогоравновесияжидкость–жидкость, в отличие от равновесия жидкость – пар, представляет собой гораздоболее сложную задачу, как с точки зрения аппаратурного оформления, так и сточки зрения методики проведения опытов [117].

Экспериментальному изучениюфазового равновесия жидкость – жидкость в системе бензол – гептан вприсутствии N-метилпирролидона посвящена работа [128], в присутствиисульфолана – [129]. В обеих работах опыты проводили при температурах близкимк комнатным. В работе [130] содержатся экспериментальные данные по фазовомуравновесию жидкость – жидкость в системе бензол – н-гептан – сульфолан притемпературе 383 К.1.5. Методы расчета экстрактивной ректификацииСамыми распространенными методами расчета процессов ректификации, втом числе экстрактивной, являются методы, основанные на концепцииравновесной ступени разделения, которая была предложена Сорелом в 1983 году[13].

Наиболее простыми методами расчета экстрактивной ректификации припомощи равновесного подхода являются графические методы. В монографии [10]процесс экстрактивной ректификации бинарной смеси рассмотрен в абсолютныхконцентрациях, что позволяет вести расчеты как для случая практическинелетучего, так и для значительно испаряющегося разделяющего агента.Графическийрасчет,приведенныйнарисунке1.5.а,б,базируетсянапопеременном построении конод, связывающих равновесные концентрациикомпонентов в жидкости и паре, и операционных линий, связывающих составы в37произвольныхсеченияхаппаратовсполюсами,расположениекоторыхопределяется из уравнений материальных балансов.При расчете ЭР бинарных систем с нелетучим разделяющим агентом онможет быть вовсе исключен из графических построений, что позволяет вестирасчеты по диаграмме Маккеба и Тилле, учитывая при этом влияние РА нафазовое равновесие в бинарной системе [8] (рисунок 1.5.а,в).(а)(б)Рисунок 1.5.

Графический метод расчетапроцесса экстрактивной ректификации: асхема потоков колонны экстрактивнойректификации; б- графический расчетколонны (а) в абсолютных концентрациях;в- графический расчет колонны (а) вотносительных концентрациях;(в)Графические методы, несмотря на свою простоту и наглядность, получиливесьма ограниченное применение в практике расчетов, главным образом из-за38существенного усложнения при расчете процессов с числом компонентов большетрех, а также из-за невозможности их автоматизации.Средиавтоматизированныхметодоврасчетаколоннэкстрактивнойректификации на основе равновесного подхода наибольшее распространениеполучилиметоды,предполагающиесовместноерешениеуравненийматериальных балансов, тепловых балансов, и уравнений фазового равновесия[131 – 133].Главным недостатком моделей, основанных на равновесном подходе,является необходимость использования в расчетах критериев эффективностимассопередачи, таких как коэффициент полезного действия реальной ступени,или высота насадочного слоя эквивалентная теоретической ступени [134],которые характеризуют степень приближения процесса, происходящего навнутренних контактных устройствах колонны, к состоянию фазового равновесия.Альтернативой равновесным моделям выступают методы, основанные нанеравновесном подходе, который предполагает расчет массообменного процессана конкретном контактном устройстве с учетом его геометрии, а также характерадвижения фаз в аппарате и их физико-химических свойств [134].

Основныесложности при использовании неравновесных моделей связаны с определениемкоэффициентов массоотдачи в фазах и межфазной поверхности контакта.В работе [135] проведен расчет процесса экстрактивной ректификациибинарной смеси ацетон – метанол в присутствии воды в качестве РА при помощинеравновесной модели. Использованная математическая модель представляетсобой систему уравнений материальных и тепловых балансов, уравненийфазового равновесия, уравнений скоростей переноса вещества для каждогокомпонента на каждой реальной клапанной тарелке (клапан V1-Glitch), а такжеуравнений, связывающих температуры и составы фаз на межфазной поверхности.Коэффициенты массоотдачи в работе определяли на основе пленочной теории.Сопоставив результаты расчетов колонны, состоящей из 20 клапанных тарелок, сданными, полученными по равновесной модели, авторы отметили, что для39выделения дистиллята одинакового качества при расчетах по равновесной моделитребуется всего 12 ступеней.Высокая степень неидеальности жидкой фазы в колоннах экстрактивнойректификации нередко приводит к ее расслаиванию, что существенно осложняетматематическое описание процесса при помощи как равновесной, так инеравновесной моделей [136].

Усложнения связаны с появлением дополнительнойграницы раздела фаз, через которую также осуществляется перенос вещества,причем перенос вещества во всех трех фазах происходит с разной скоростью. Этозначит, что при расчете процесса ЭР при помощи равновесной модели сприменением КПД Мерфри необходимо оперировать несколькими такими КПДдля описания эффективности переноса вещества из первой и второй жидкой фаз впаровую [137]:Em Вyij  yi , j 1y y, Em  ij i , j 1 .ki xij  yi , j 1ki xij  yi , j 1расчетахтрехфазнойЭР(1.24)эффективностиступенейпоМерфрипринимаются одинаковыми (усредненными) поскольку определение точныхзначений КПД по каждой фазе экспериментальным путем затруднены.

Говорястрого, величины E m и E m могут быть равны только в том случае если переносвещества между двумя жидкими фазами будет на порядок быстрее, чем междукаждой жидкой фазой и паром, чего на практике не встречается [136]. По этойпричине применение неравновесных моделей при расчете процесса ЭР срасслаивающейся жидкой фазой предпочтительнее.Авторы [138] провели расчеты процесса экстрактивной ректификацииазеотропной смеси МТБЭ – метанол в присутствии бутанола в качестве РА припомощи трех моделей: равновесной, упрощенной равновесной, и неравновесной.Расчеты показали, что все три модели позволяют моделировать процесс судовлетворительной точностью, а также, что качество модели парожидкостногоравновесия оказывает на результаты расчета большее влияние, чем типприменяемой модели расчета процесса ЭР.40Модель расчета процесса экстрактивной ректификации, использованная вработе [139], является развитием «пионерской работы» [136], при этоммассопередачамассоотдачиввработепаровойрассмотренафазекаквычислялинестационарная:исходяизкоэффициентсоотношениядлянестационарной диффузии в сферическом пузыре, а коэффициент массоотдачи вжидкости – из уравнений пенетрационной теории массопередачи.Авторы [140] упростили модель неравновесной ступени разделения за счетвведения допущения о том, что одна из жидких фаз всегда диспергирована в видемелких капель в сплошной жидкой фазе.

По этой причине она не имеетмежфазной границы с паровой фазой и обменивается веществом только со второйжидкой фазой. Введенное допущение позволило сократить число уравнений иупростить расчеты.В работе [141] для расчета процесса ректификации трехфазной системыпредложена упрощенная неравновесная модель, в которой постулированоустановившееся фазовое равновесие между двумя расслоившимися жидкимифазами, в то время как между жидкими и паровой фазами происходит массообменс конечными скоростями.Модели для расчета процесса ректификации расслаивающихся жидкостей(и равновесные и неравновесные) по своей структуре очень универсальны. Такпри отсутствии второй жидкой фазы они обращаются в обыкновенные модели дляпростой ректификации, а при отсутствии паровой фазы – в модели для расчетажидкостной экстракции [136].В работах [142 – 144] рассмотрены равновесные модели расчетапериодической экстрактивной ректификации.

Главным отличием периодическогопроцесса ЭР от непрерывного является постоянное изменение профилейтемператур и концентраций по высоте колонны во времени. Кроме того,существует ряд режимов работы колонн периодической ЭР (при постоянномфлегмовом числе, при постоянном составе дистиллята, дискретный отбор ипроч.), которые описываются различными уравнениями материальных балансов[145].411.6. Выводы из литературного обзора и постановка задачиРазработка энергоэффективного процесса экстрактивной ректификации какпоказано выше является сложной многостадийной задачей, которая «покирпичикам» складывается из следующих стадий:1. выбор максимально селективного разделяющего агента;2. экспериментальное изучение и моделирование фазового равновесияразделяемой системы в присутствии селективного РА;3.

экспериментальноеизучениеимоделированиекинетикимассопередачи в процессе экстрактивной ректификации;4. моделирование колонного аппарата для проведения процесса ЭР;5. оптимизациярабочихпараметровконкретногоаппаратаэкстрактивной ректификации, а также всей технологической схемыпроцесса с целью максимального снижения ее энергопотребления;Успех в решении задачи по созданию энергоэффективных комплексов ЭРво многом зависит от качества экспериментальных данных, а также применяемыхмоделей для расчета статики и кинетики процесса.По результатам обзора литературы можно констатировать, что стадии 1, 4 и5 неплохо разработаны. В литературе содержатся подробные методики поскринингу селективныхРА при помощи различных методов. Способымоделирования и оптимизации колонных аппаратов также подробно разобраны вработах классических и современных авторов. Стадия 2 хорошо проработана длясмесей с гомогенной жидкой фазой, в то время как изучение и моделированиефазовых равновесий в расслаивающихся системах изучено недостаточно, и работ,опубликованных на эту тему в современной литературе относительно немного.Наиболее слабым звеном среди всех вышеперечисленных стадий являетсяизучениеимоделированиекинетикимассопередачивпроцессахЭР.Опубликованных работ на эту тему в отечественной и зарубежной литературенемного, но даже среди опубликованных работ встречаются разночтения ипротиворечия.