Диссертация (Особенности ректификационного разделения многокомпонентных многофазных смесей органических веществ), страница 2

При разделении четырехкомпонентных смесей н-алкан – циклогексан –фурфурол – вода, один из компонентов которых принадлежит гомологическомуряду (н-гексан, н-гептан, н-октан), показана энергетическая эффективностьсхем с предварительным расслаиванием исходной смеси. Выигрыш в случаеоктановой системы (эквимолярная смесь) по сравнению с применением первогозаданного разделения на первой стадии составляет более 25%.3. Предложено использовать линейное соотношение концентрации налкана и циклогексана в углеводородном слое, что позволяет корректно связатьданные равновесия жидкость-жидкость-жидкость с условиями балансовой за-7дачи при разделении смесей разного состава.

Тем самым подтверждена практическая значимость исследования эволюции трехфазного расслаивания.4. Даны практические рекомендации по выбору разделяющего агента впроцессе обезвоживания спиртов гетероазеотропной ректификацией, базирующиеся на величинах коэффициента извлечения воды из водного слоя и коэффициента распределения воды в равновесных слоях, которые, в свою очередь,определяют соотношение продуктовых отборов в ректификационных колоннах.Выбор осуществлен из 20 веществ разных классов (алканы, алкены, циклоалканы, арены).5.

Предложена принципиальная технологическая схема разделения воднойсмеси одноатомных спиртов (этанол, пропанол, бутанол), включающая комплекс гетероазеотропной ректификации с бензолом и комплекс экстрактивнойректификации с этиленгликолем. Определены статические параметры работыколонн.Методы исследованияВкачествеметодовисследованиявыбранытермодинамико-топологический (ТТА) и термодинамико-геометрический (ТГА) анализы структур диаграмм фазового равновесия четырехкомпонентных систем. Математическое моделирование фазовых равновесий (жидкость-пар, жидкость-жидкость), атакже расчет процесса ректификации выполнены с использованием уравненияNRTL в специализированном программном комплексе. Для оценки параметровуравнения NRTL и адекватности математической модели использован обширный массив экспериментальных данных, представленных в литературе и прежде всего в работах В.С.

Тимофеева и его учеников [1, 2]. Относительные ошибки описания азеотропных характеристик не превышали 3%, а составов равновесных жидких слоев – 7 %. Расчет материальных балансов схем разделениясмесей заданного состава производился с использованием метода балансовыхсимплексов.8Положения, выносимые на защиту- Подход и алгоритм исследования эволюции трехфазного расслаивания.-Закономерностивлияниявзаимногорасположенияобластейрасслаивания и сепаратрических многообразий на структуру схем разделения иих энергоемкость.-Подходкрасчетучетырехкомпонентныхматериальныхсмесей,балансовхарактеризующихсясхемразделенияналичиемобластитрехфазного расслаивания открытого типа.-Практическиерекомендацииповыборуразделяющегоагентагетероазеотропной ректификации водной смеси спиртов (этанол, пропанол).Апробация работыМатериалы диссертации докладывались на V Молодежной научнотехнической конференции "Наукоемкие химические технологии – 2013"(Москва,2013),«НаукоемкиеXVМеждународнойхимическиенаучно-техническойтехнологии-2014»(Звенигород,конференции2014),XXМеждународной конференции по химической термодинамике в России (RCCT–2015) (Нижний Новгород, 2015), V Международной конференции-школы похимической технологии (Волгоград, 2016), XVI международной научнотехнической конференции «Наукоемкие химические технологии – 2016» сэлементами школы молодых ученых (Москва, 2016), Всероссийской научнопрактической конференции «Теоретические и практические аспекты разработкиинновационных ресурсосберегающих технологий разделения жидких смесей»(Барнаул, 2016).Публикации.

Автором опубликовано 10 работ, в том числе: 2 статьи вжурналах, включенных в глобальные индексы цитирования Scopus и Web ofScience; 2 статьи в журналах, включенных в базу РИНЦ; 6 тезисов научныхконференций.Первая глава посвящена обзору научно-технической информации, в которой рассматриваются основные закономерности (локальные и нелокальные)9структур фазовых диаграмм многокомпонентных многофазных систем, а такжеспециальные методы их разделения. Показана актуальность дальнейшего исследования особенностей разделения многокомпонентных расслаивающихсясмесей на основе новых данных о формировании структур диаграмм фазовогоравновесия жидкость-жидкость-жидкость.

Сформулированы цели и основныезадачи диссертационной работы. Выбраны объекты и методы исследования.Во второй главе для оценки возможности разделения четырехкомпонентных смесей были определены закономерности формирования областей расслаивания, прежде всего трехфазного, в концентрационном тетраэдре и их взаимное расположение относительно сепаратрических многообразий. Предложенподход и алгоритм исследования области трехфазного расслаивания, которыйпостроен на использовании математического понятия центроида – точки пересечения трех медиан, что позволило однозначно закрепить принадлежностьбрутто-состава смеси треугольнику расслаивания.

Подтверждены два принципиально разных вида эволюции, приводящие: 1) к формированию закрытой области трехфазного жидкого расслаивания с переходом ее через критическуюноду в двухфазную область; 2) к формированию открытой области равновесиятрех жидких фаз, когда она (область) опирается на треугольники расслаиванияв различных тройных составляющих тетраэдра.Исследованы структуры фазовых диаграмм, эволюция области трехфазного расслаивания в концентрационном тетраэдре, предложены принципиальныетехнологические схемы разделения модельных и промышленной смеси изопрен– триметилэтилен – ацетонитрил – вода.В третьей главе для реальных четырехкомпонентных смесей исследованавзаимосвязь структуры диаграммы фазового равновесия с разными областямирасслаивания со структурой схемы разделения.

В качестве объектов рассмотрены смеси углеводород – циклогексан – фурфурол – вода, где в качестве углеводорода выступают члены гомологического ряда алканов, а именно: н-гексан, н-10гептан, н-октан. Проведен синтез возможных схем разделения.

Выявлены особенности расчета материального баланса схем.Четверная глава посвящена вопросам, связанным с регенерацией спиртов (этанола, пропанола, бутанола) из водной смеси. Проведен синтез возможных схем разделения, включающих использование функциональных комплексов (гетероазеотропная ректификация, комплекс экстрактивной ректификации,использование явления расслаивания в комплексе ректификационная колонна –флорентийский сосуд). Подобраны статические параметры работы колонн исхемы в целом для разделения смеси эквимолярного состава. Выявлены особенности гетероазеотропной ректификации смесей этанол – вода, пропанол –вода. Предложены практические рекомендации по выбору разделяющего агентагетероазеотропной ректификации водной смеси спиртов (этанол, пропанол).11ГЛАВА 1.

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙИ МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХМНОГОФАЗНЫХ СМЕСЕЙВ настоящее время большое внимание уделяется разработке энергоэффективных способов разделения многокомпонентных смесей органических веществ. Одним из перспективных приемов разделения азеотропных многофазных смесей считается использование расслаивания в разделительных комплексах, что в большинстве случаев обеспечивает заметную экономию энергозатратна стадии выделения и очистки целевых продуктов. Для использования расслаивания в промышленности должно соблюдаться условие ограниченной смешиваемости компонентов с образованием двух или более жидких фаз. В связи сэтим значительный интерес представляют вопросы термодинамического состояния смеси и выявления особенностей образования областей многофазного расслаивания в многокомпонентных системах.1.1.

Правило фаз ГиббсаВ 1873-1876 гг. Д. В. Гиббсом было получено правило (закон), котороевпоследствии получило название правило фаз Гиббса. В основе последнего лежали два понятия: число степеней свободы системы (вариантность f) и компонент(химическииндивидуальноевещество).Вслучаеоткрытыхn-компонентных φ-фазных химически инертных систем, правило фаз Гиббсаимеет вид [3]:(1.1) =−+2Данное уравнение выведено Гиббсом на основе нулевого потенциала, изнего следует, что число фаз в системе без химической реакции может превосходить число компонентов на два.Любое дополнительное ограничение, накладываемое на систему, уменьшает число степеней свободы на единицу. В случае, когда один из параметров(давление или температура) закреплен, правило фаз принимает вид: =−+1(1.2)12В случае учета не только параметров состояния, но и изменения количества фаз, принято использовать понятие полной вариантности системы [4].(1.3) =+2При наложении на систему дополнительных условий, таких как протека-ние в системе химических реакций, наличие внешних полей, различные усло-вия изоляции, выражения (1.1), (1.3) могут принимать другой вид в зависимости от числа переменных и уравнений связи между ними, привносимых этимиусловиями.Развернутый анализ вариантности термодинамических систем проведен вработах Л.А.

Серафимова [5-7]. Уравнение правила фаз для n-компонентной φфазной системы, содержащей i-неподвижных компонентов, в которой протекает k-независимых обратимых реакций имеет вид: = − + 2 − + ( − ∗ )(1.4)На рис. 1.1а представлена блок-схемы использования различных формправила фаз для гетерогенных систем, в случае когда k=0, S*=S, с подвижнымии неподвижными веществами. На рис. 1.1б – для гетерогенных систем, в которых протекают двухсторонние химические реакции, а также имеются неподвижные компоненты.Стоит отметить, что также имеются сложные термодинамические гетерогенные системы, характеризующихся наличием внешних полей [7].