Диссертация (Особенности ректификационного разделения многокомпонентных многофазных смесей органических веществ), страница 10

Данные модельные четырехкомпонентные системы имеют пять бинарных, два тройных азеотропа.(а)(б)Рис. 2.7. Структура парожидкостного равновесия и структура области равновесияжидкость-жидкость-жидкость в модельных системах.Анализ соотношения температур кипения азеотропов и чистых компонентов позволил определить типы особых точек исследуемых четырехкомпонентных систем относительно развертки (границы) и объема концентрационногосимплекса (табл. П2.3), которые соответствуют табл. 2.2.При топологической структуре парожидкостного равновесия аналогичной,диаграмме системы изопрен – триметилэтилен – ацетонитрил – вода, модельные системы различаются иной структурой диаграммы расслаивания:64- составляющие 1-2-3(4,5) содержат области трехфазного расслаивания спримыкающими к ним областями двухфазного расслаивания;- составляющие 1-3-4(5), 1-4-5 содержат области двухфазного расслаивания открытого типа.По методике, описанной в предыдущем разделе, была исследована эволюция области трехфазного расслаивания в концентрационном тетраэдре (табл.П2.4-П2.6).

Установлено, что модельные системы характеризуются наличиемоткрытой области равновесия трех жидких фаз, начинающейся на составляющей 1-2-3(4) и заканчивающейся на составляющей 1-2-4(5) (рис. 2.7б). Данныйвид эволюции представлен ветвью (б) на рис. 2.4.На рис. 2.8 а-в показаны развертки тетраэдра с расположением областейрасслаивания (затонированные двухфазные области), а также ход нод жидкость-жидкость (пунктирная линия).Тройные гетероазеотропы 1-2-3(4,5) и 1-4-5 принадлежат разным областямрасслаивания: 1-2-3 находится в области равновесия двух жидких фаз, в то время как гетероазеотропы 1-2-4(5) принадлежат области равновесия трех жидкихфаз.

В табл. 2.12 и на рис. 2.8 г показана принадлежность составов трех равновесных слоев областям дистилляции при 20 °С (условие во флорентийском сосуде).Таблица 2.12.Принадлежность составов равновесных жидких слоев областям дистилляцииСлучайРавновесный слой 1Равновесный слой 2Равновесный слой 31– 2 – 31–2–41–2–5IIIIIIIIIIIIIIIIIII(гетероазеотроп)′( )′′( )(′′′ )На основании табл. 2.12 можно сделать вывод, что в дальнейшем при разделении смесей 1-2-3(5) возможны определенные трудности с выделением компонента 1, являющегося узловой точкой в первой (I) области дистилляции.65а)б)в)г)Рис. 2.8.

Структуры развертки тетраэдра модельных систем класса 4.5.2.0: система А(а), система В (б), система С (в). Принадлежность составов равновесных слоев расслаиваниятройного гетероазеотропа областям дистилляции (г).____Примечание:– нода расслаивания тройного азеотропа 1-2-3; -∙-∙- – треугольникрасслаивания в системе 1-2-4; -∙-∙-∙- – треугольник расслаивания в системе 1-2-5.Оптимальной, с точки зрения реализации принципа перераспределения полей концентраций и выделения всех компонентов исходной смеси в чистом виде, является структура системы 1-2-4, где составы равновесных жидких слоевпринадлежат разным областям дистилляции, на что указано и в работе [1].Для модельных систем синтезированы технологические схемы (рис.

2.9,рис. 2.10), представляющие собой сочетание двух комплексов «колонна-66флорентийский сосуд», в которых ПППК реализуется за счет двух- или трехфазного расслаивания. Трудностей с разделением данных смесей не возникает всилу благоприятного расположения составов слоев относительно сепаратрисы(рис. 2.8 а-в).(а)(б)(в)(г)(д)(е)Рис. 2.9 Принципиальные технологические схемы разделения четырехкомпонентныхсмсесей (модельные системы А, В).67(ж)(з)(и)(к)(л)Окончание Рис. 2.9 Принципиальные технологические схемы разделения четырехкомпонентных смсесей (модельные системы А, В).68(а)(б)(в)(г)(д)(е)(ж)(з)Рис. 2.10 Принципиальные технологические схемы разделения четырехкомпонентныхсмсесей (модельная система С).69Модельная система с четырехкомпонентным гетероазеотропом иобластью равновесия трех жидких фазСвязь диаграммы расслаивания со структурой схемы разделения показанаи на модельной системе D 1-2-3-4, характеризующейся наличием четырехкомпонентного узлового гетероазеотропа и области равновесия трех жидких фаз(табл.

П2.9). Как и ранее, методом математического моделирования были спрогнозированы свойства данной системы. Параметры уравнения NRTL, а такжесвойства чистых веществ, азеотропия, парожидкостное равновесие, равновесиежидкость-жидкость представлены в приложении (табл. П2.7-П2.8). Данная модельная четырехкомпонентная система имеет 6 бинарных, 4 тройных и, как ужеотмечалось, один четырехкомпонентный азеотропы (рис. 2.11).

Структура фазовой диаграммы системы D относится к классу 4.6.4.1.Рис. 2.11. Структура парожидкостного равновесия модельной системы D.Анализ соотношения температур кипения азеотропов и чистых компонентов позволил определить типы особых точек исследуемой четырехкомпонент-70ной системы относительно развертки и объема концентрационного симплекса(табл. 2.13).Алгебраическая сумма индексов особых точек относительно границы итетраэдра равна 2 и 0, соответственно, что находится в полном соответствии справилом азеотропии [159].

Таким образом, можно сделать вывод, что структура фазовой диаграммы (рис. 2.11) является термодинамически верной.Таблица 2.13.Проверка правила азеотропии относительно развертки и объема тетраэдрамодельной системы DОсобая точка12341-21-31-42-32-43-41-2-31-2-41-3-42-3-41-2-3-4Относительно разверткиОтносительно объемаИндексИндексТипТипПуанкареПуанкареЧистые компонентыустN10N1уст+1устустN1+1N1+1устустN1+1N1+1устустN1+1N1+1Бинарные азеотропыC2-1C2-1C2-1C2-1C2-1C2-1C2-1C2-1C2-1C2-1C2-1C2-1Тройные азеотропынеустN3+1С3+1неустN3+1С3+1неустN3+1С3+1неустN3+1С3+1Четырехкомпонентный азеотропN4неуст-1N4неуст-1Проверка правила азеотропии∑i=2∑i=0Термодинамико-топологический анализ диаграмм парожидкостного равновесия четырехкомпонентной системы позволил выявить следующие закономерности: система имеет четыре области дистилляции, сформированные пучками дистилляционных линий, которые начинаются в четверном гетеро-71азеотропе с минимумом температуры кипения (1-2-3-4) и заканчиваются в точках чистых компонентов (1, 2, 3, 4).

Области отделены сепаратрическими многообразиями, порождаемыми седловыми азеотропами 1-2, 1-3, 1-4, 2-3, 2-4 и 34.На рис. 2.12 представлена развертка развертка тетраэдра с расположениемособых точек и областей расслаивания. Составляющая 2-3-4 содержит областьтрехфазного расслаивания с примыкающими к ней областями двухфазного расслаивания; составляющие 1-2-3 и 1-2-4 – области двухфазного расслаивания закрытого типа. В табл. 2.14 показана принадлежность равновесных слоев тройных и четверного азеотропов областям дистилляции.Рис.

2.12. Развертка тетраэдра модельной системы D класса 4.6.4.1. Затонированы областидвухфазного расслаивания.72Таблица 2.14Принадлежность составов равновесных слоев азеотропов областямректификацииАзеотроп1-2-31-2-42-3-41-2-3-4′IIIIIIII′′IIIIVIIIIV′′′IV-Как и ранее, с учетом задаваемых составов исходных смесей в концентрационном симплексе выделены 24 подобластей ректификации. Для каждой области был проведен анализ возможности ректификационного разделения смесейконкретного состава, который показал, что выделить все компоненты в чистомвиде можно только из смеси, находящей в первой области дистилляции. Имеется всего лишь одна подобласть ректификации, для которой реализуется единственная схема полного разделения смеси (рис.

2.13) при конкретной структуреобластей расслаивания (четырехкомпонентный азеотроп принадлежит областидвухфазного расслаивания и областям дистилляции II, IV).Рис. 2.13. Принципиальная технологическая схемы разделения четырехкомпонентнойсистемы D.Рассмотрим два теоретически возможных случая. Первый, когда четырехкомпонентный азеотроп находится в области трехфазного расслаивания (рис.2.14а). В таком случае смесь любого состава можно разделить по схеме, приведенной на рис. 2.15а.73(а)(б)Рис. 2.14.

Структуры диаграмм парожидкостного равновесия четырехкомпонентных системс четырехкомпонентным минимально кипящих гетероазеотропом, находящимся в области: а)трехфазного расслаивания; б) четырехфазного расслаивания.Второй случай, когда четырехкомпонентный азеотроп принадлежит области четырехфазного расслаивания (рис. 2.14б). В таком случае также можноразделить смесь любого состава по схеме, приведенной на рис. 2.15б.

Преимуществом данной схемы является меньшее количество колонн.(а)(б)Рис. 2.15. Принципиальные технологические схемы разделения четырехкомпонентныхсистем с четырехкомпонентным минимально кипящих гетероазеотропом, находящимся вобласти: а) трехфазного расслаивания; б) четырехфазного расслаивания.Синтез множества принципиальных схем разделения модельных четырехкомпонентных систем показал, что при благоприятном взаимном расположении74области трехфазного расслаивания и сепаратрис в тетраэдре появляется возможность полного разделения смесей разного состава в схемах, основанных насочетании ректификации и расслаивания.

Организация второго заданного разделения в первой колонне или предварительное расслаивание смеси позволяет вбольшинстве случаев разделить смесь на числе колонн, равном числу компонентов. Использование первого заданного разделения в первой колонне приводит к увеличению числа колонн.В дальнейшем в главе 3 для реальных четырехкомпонентных смесей, характеризующихся наличием области равновесия трех жидких фаз открытоготипа, исследована взаимосвязь фазовой диаграммы со структурой схемы разделения смеси конкретного состава.75ГЛАВА 3. ВЗАИМОСВЯЗЬ СТРУКТУРЫ СХЕМ РАЗДЕЛЕНИЯ СОСТРУКТУРОЙ ФАЗОВОЙ ДИАГРАММЫ ЧЕТЫРЕХКОМПОНЕНТНЫХСИСТЕМТермодинамические ограничения на возможность полного разделенияжидких многокомпонентных смесей ректификацией накладываются азеотропами и сепаратрическими многообразиями.