Автореферат (Особенности ректификационного разделения многокомпонентных многофазных смесей органических веществ), страница 3

2 представлены параметры работы колонн и приведены суммарныеэнергозатраты на разделение смесей эквимолярного состава. Ректификационныеколонны работают при давлении 101,3 кПа, флорентийские сосуды – при температуре 20 °С.16Таблица 2.Режимные параметры работы колонн и энергозатраты на разделение смесиэквимолярного состава№ схемыПараметры работы колонныQреб.,∑Q,№(рис. 7)МВтМВтколонныNт.т.Nпит.RD/Wсистема н-гексан – циклогексан – фурфурол – вода7а160405.80.4633.6752.708240290.79.3980.7231010.5250.22941610.3250.2127д11013.5420.8482.973260416.760.962.037332180.7225.990.62241610.3630.1647в160406.770.8772.112.511232180.876.9330.82831610.5210.21141210.3320.221система н-гептан – циклогексан – фурфурол – вода7ж160254.850.5571.9344.511240166.551.282.1731610.370.16341210.2690.2447л11613.340.9255.727260255.560.3321.91340165.351.672.6541610.2600.2427и160255.430.3161.8935.161240165.282.02.86431610.3720.16341610.2610.241система н-октан – циклогексан – фурфурол – вода7ж132141.920.5770.9821.70821110.1550.26831310.5750.19741110.3180.2617л1413.290.7621.928232231.50.6660.5713910.4150.38041510.5250.2157и132201.460.7770.5591.32721110.1960.28731410.5520.22241110.320.25917При синтезе схем принято допущение об отборе в качестве продуктового потока органического слоя, образующегося во флорентийском сосуде при расслаивании смесей Гс-В и ЦГ-В, поскольку его состав отвечает требованиям ГОСТ.При таком допущении может быть реализована схема с тремя колоннами (рис.

7,г).Показано, что использование предварительного расслаивания в системах с нгексаном и н-октаном является энергоэффективным, причем выигрыш в случаеоктановой системы (эквимолярная смесь) по сравнению с применением первогозаданного разделения на первой стадии составляет более 25%. Определенныетрудности (высокие значения эффективностей колонн: 60 и 40 теоретических тарелок) при разделении гексановой и гептановой систем связаны с близкими летучестями н-гексана (н-гептана) и циклогексана в окрестности точки чистого алкана. В дополнение к этому, бинарная составляющая н-гептан – фурфурол характеризуется наличием азеотропа и летучестью, близкой к единице в области выделения н-гептана, что также обусловливает необходимость использования ректификационной колонны большей эффективности [3, 8 результаты получены и опубликованы совместно с А.

К. Фролковой].В четвертой главе рассмотрены особенности реализации принципа перераспределения полей концентраций на примере гетероазеотропной ректификации(ГАР) водной смеси спиртов этанол (Э), пропанол (П), бутанол (Б) – класс 4.3.0.0.На рис. 9 представлены структура фазовой диаграммы и ее развертка.(а)(б)Рис. 9. Структура фазовой диаграммы класса 4.3.0.0 (а) и развертка тетраэдра(б) системы этанол (Э) – пропанол (П) – бутанол (Б) – вода (В).18Наличие ограниченной взаимной растворимости в бинарной составляющейБ-В не позволяет рассматривать сочетание ректификации и расслаивания в качестве основного приема разделения данной смеси.

Этанол и пропанол в большинстве случае можно выделить лишь в составах их бинарных гомогенных азеотропов с водой и целесообразно рассматривать ГАР (рис. 10, а) как основной приемобезвоживания спиртов.(а)(б)Рис. 10. Принципиальная схема гетероазеотропной ректификации (а);принципиальная технологическая схема разделения смеси этанол (Э) – пропанол (П)– бутанол (Б) – вода (В) с использованием разных функциональных комплексов (б).K1-K6 – ректификационные колонны; Ф1 – флорентийский сосуд;дополнительные вещества – бензол (Бз), этиленгликоль (ЭГ).В качестве РА рассмотрено 20 веществ – представителей разных классов органических соединений (алканы, алкены, циклоалканы, арены) с температуройкипения от 36°С до 185°С.

По мере увеличения температуры кипения РА происходит изменение геометрической структуры фазовой диаграммы тройной системы спирт – вода - разделяющий агент, а именно: составов и взаимного расположения бинарных и тройного азеотропа, содержащих РА; особенностей расположения сепаратрис в окрестности узловых тройных гетероазеотропов.

Последнеепроявляется в величине рабочего параметра колонн D/W [6, результаты полученысовместно с А.К. Фролковой]. Для предварительного выбора РА предложено использовать следующие формулы:(1)(2)(3),где– коэффициент извлечения воды из водного слоя19;– коэффициент распределения воды в равновесных слоях;ƩR – величина суммарного рецикла.Подобная оценка была проведена как для системы этанол – вода, так и длясистемы пропанол – вода. Проведенный расчет ректификации и оценка энергозатрат показали, что в комплексах ГАР обеих смесей на энергозатраты оказываютвлияние две антибатно меняющиеся величины: количество дистиллятного продукта и флегмовое число. На наш взгляд, доминирующим фактором, определяющим суммарные энергозатраты, является количество рецикловых потоков, поэтому предложенная нами методика позволяет на первой стадии выделить множество потенциально эффективных гетероазеотропообразующих агентов.

Дляокончательного отбора РА необходим расчет ректификации и оптимизация статических параметров работы колонн.Для системы с пропанолом величины D/W велики, что делает ГАР энергетически невыгодной, поэтому для разделения этой смеси предложена экстрактивнаяректификация с этиленгликолем, выбор которого базируется на анализе концентрационных зависимостей избыточного потенциала Гиббса и величин относительной летучести исходных компонентов.На рис. 10, б представлена схема разделения водной смеси спиртов С2-С4, ав табл. 3 статические параметры работы колонн и энергозатраты (нагрузки на кипятильник колонны) [1, результаты опубликованы совместно с А.К.Фролковой].Таблица 3.Статические параметры работы колонн и энергозатраты на разделение эквимолярной смеси этанол (Э) – пропанол (П) – бутанол (Б) – вода (В)№Параметры работы колонныQреб.,∑Q,колонныМВтМВтNт.т.NпитNРАF:РАR14522––7.572.677.1724019––1.50.7734019––1.50.3143017––1.171.185454031:45.01.486157––10.76При расчете процесса ректификации варьировали общую эффективность колонн (Nт.т.), уровни ввода исходной смеси (Nпит) и разделяющего агента (NРА),20флегмовое число (R), расход разделяющего агента (F:РА).

Давление во всех колоннах 101,3 кПа. Исходная смесь подается в виде кипящей жидкости. Предложенная схема обеспечивает полное разделение водной смеси спиртов с получением продуктов, содержащих не менее 0,995 мол. долей целевых веществ.ВЫВОДЫ1. С использованием предложенного алгоритма и разработанной нами подпрограммы исследована область трехфазного расслаивания в 4-х реальных и 4-хмодельных четырехкомпонентных системах разных классов (4.5.2.0, 4.3.0.0,4.4.1.0, 4.6.4.1).

В вычислительном эксперименте подтверждены два вида эволюции, приводящие к формированию в тетраэдре: 1) закрытой трехфазной области спереходом ее через критическую ноду в двухфазную; 2) открытой трехфазнойобласти, которая выходит на различные тройные составляющие тетраэдра.2. На основе термодинамико-геометрического анализа фазовых диаграммсистем изопрен – триметилэтилен – ацетонитрил, алканы (С6-С8) – циклогексан –фурфурол – вода и ряда модельных систем показана связь взаимного расположения сепаратрических многообразий и областей расслаивания в концентрационном симплексе на возможность реализации ПППК между областями ректификации и/или достижения требуемого качества продуктовых потоков (при приемлемых технологических параметрах: эффективность колонны; соотношение D/W;флегмовые числа, суммарные энергозатраты).3.

Установлено, что множество синтезированных принципиальных схем разделения, основанных на сочетании ректификации и расслаивания, распадаются надва подмножества: 1) схемы, представляющие комбинацию двух комплексов«колонна-флорентийский сосуд», в которых ПППК реализуется независимо засчет двух- или трехфазного расслаивания; 2) схемы, представляющие комбинацию двух комплексов, жестко связанных особенностями равновесия двух илитрех жидких фаз («комплекс в комплексе»).4.

При разделении четырехкомпонентных смесей н-алкан – циклогексан –фурфурол – вода, один из компонентов которых принадлежит гомологическомуряду (н-гексан, н-гептан, н-октан), показана энергетическая эффективность схем спредварительным расслаиванием исходной смеси.215. Предложенный прием линеаризации соотношения равновесных концентраций н-алкана и циклогексана в углеводородном слое позволяет упростить расчет материального баланса схем разделения смесей н-алкан – циклогексан – фурфурол – вода.6. Предложена методика формирования множества разделяющих агентов гетероазеотропной ректификации, построенная на учете геометрических особенностей структуры фазовой диаграммы жидкость – жидкость – пар (на примере систем класса 3.3.1-2) и обладающая прогностическими возможностями.Основное содержание диссертации изложено в следующих работах1.

Sebyakin, A. Y. Separation of ethanol – propan-1-ol – butan-1-ol–water azeotropic mixture / A. Y. Sebyakin, A. K. Frolkova // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. – 2015. – V. 49. – №5. – P. 750–755.2. Sebyakin, A. Y. Structure of the phase diagram of the 2-methyl-1,3-butadiene –2-methyl-2-butene – acetonitrile – water system / A. Y. Sebyakin, A.