Диссертация (Особенности ректификационного разделения многокомпонентных многофазных смесей органических веществ), страница 8

К. Фролковой]. На первом этапе к тройнойсмеси триметилэтилен – ацетонитрил – вода эквимолярного состава, принадлежащей области трехфазного расслаивания, с интервалом 0,01 мол.д. добавлялсяизопрен. Показано, что при увеличении его содержания до 0,17 мол.д. происходит уменьшение количества среднего (ацетонитрильного) слоя (табл. 2.6).47Таблица 2.6.Результаты исследования трехфазного расслаивания в концентрационномтетраэдре при 20 °С, 101,3 кПаБруттоСоотношениеНетто-составы жидких слоев,смесь,количеств слоев,№ Компомол.д.мол.д.мол./мол.п/пнент∗′′′′′′′ : ′′ : ′′′И0ТМЭ0,33330,87460,06740,003111 : 1,10 : 0,75АН0,33330,12110,68100,1079В0,33340,00430,25170,8890И0,02520,00240,00000,01ТМЭ0,33000,84390,06770,003021 : 1,04 : 0,74АН0,33000,12650,68380,1075В0,33000,00440,24610,8895И0,04920,00490,00000,02ТМЭ0,32670,81420,06810,002931 : 0,98 : 0,72АН0,32670,13220,68650,1071В0,32670,00440,24050,8900И0,07190,00760,00000,03ТМЭ0,32330,78530,06860,002841 : 0,92 : 0,71АН0,32330,13830,68900,1067В0,32330,00450,23490,8904И0,09340,01030,00010,04ТМЭ0,32000,75720,06920,002751 : 0,87 : 0,69АН0,32000,14470,69140,1064В0,32000,00460,22910,8908И0,11380,01310,00010,05ТМЭ0,31670,72990,06980,002661 : 0,82 : 0,68АН0,31670,15160,69370,1060В0,31670,00480,22330,8913И0,13290,01610,00010,06ТМЭ0,31330,70310,07060,002671 : 0,76 : 0,66АН0,31330,15900,69580,1057В0,31330,00490,21740,8917ИИ0,15090,01930,07ТМЭТМЭ0,31000,67690,071581 : 0,71 : 0,64АНАН0,31000,16700,6978ВВ0,31000,00510,211448Продолжение таблицы 2.6.9101112131415161718ИТМЭАНВИТМЭАНВИТМЭАНВИТМЭАНВИТМЭАНВИТМЭАНВИТМЭАНВИТМЭАНВИТМЭАНВИТМЭАНВ0,080,30670,30670,30670,090,30330,30330,30330,100,30000,30000,30000,110,29670,29670,29670,120,29330,29330,29330,130,29000,29000,29000,140,28670,28670,28670,150,28330,28330,28330,160,28000,28000,28000,170,27670,27670,27670,16780,65110,17570,00530,18340,62560,18530,00560,19780,60030,19590,00590,21090,57490,20790,00640,22240,54920,22150,00690,23230,52290,23720,00750,24020,49550,25600,00840,24530,46600,27900,00970,24690,43320,30840,01150,24300,39490,34760,01440,02260,07260,69960,20520,02610,07380,70120,19880,02990,07530,70250,19230,03400,07700,70360,18540,03850,07910,70430,17820,04330,08150,70450,17070,04870,08440,70420,16270,05460,08790,70320,15420,06130,09230,70120,14520,06870,09740,69810,13590,00010,00240,10500,89250,00010,00230,10470,89280,00010,00230,10440,89320,00010,00220,10410,89360,00010,00210,10380,89390,00020,00210,10350,89430,00020,00200,10320,89460,00020,00200,10290,89490,00020,00190,10270,89520,00020,00190,10250,89551 : 0,66 : 0,631 : 0,60 : 0,611 : 0,55 : 0,601 : 0,49 : 0,581 : 0,43 : 0,561 : 0,37 : 0,541 : 0,30 : 0,521 : 0,22 : 0,491 : 0,13 : 0,461 : 0,01 : 0,4349Окончание таблицы 2.6.1920ИТМЭАНВИТМЭАНВ0,180,27330,27330,27330,190,27000,27000,27000,25480,38620,34500,01410,26750,37950,33950,0135-0,00020,00180,10110,89690,00020,00180,09970,89841 : 0 : 0,421 : 0 : 0,41Далее (п.п.

19, 20) происходит переход состава брутто-смеси из областитрехфазного расслаивания в область двухфазного расслаивания (ацетонитрильный слой исчезает), что иллюстрирует рис. 2.2.Как итог появляется лишняя степень свободы, поэтому для продолжениярасчета необходимо задать другой брутто-состав четырехкомпонентной смеси,искусственно увеличив в нем содержание ацетонитрила.Рис. 2.2. Изменение принадлежности точки брутто-состава областям с разным числомжидких фаз: а-д – область трех жидких фаз; е – область двух жидких фаз.На последующем этапе при содержании в брутто-смеси изопрена и ≥0,17 мол.д.

выбрано следующее соотношение триметилэтилена, ацетонитрила иводы: ан = тмэ , где n > 1; в = 1 − и − тмэ − ан (табл. 2.7).50Таблица 2.7.Результаты исследования трехфазного расслаивания в концентрационномтетраэдре при 20 °С, 101,3 кПа при разных соотношениях триметилэтилена,ацетонитрила и воды в смесиБруттоСоотношение коНетто-составы жидкихсмесь,личеств слоев,№слоев, мол.д.Компонентмол.д.мол./мол.п/п∗′′′′′′′ : ′′ : ′′′И0,24430,0670 0,00020,170ТМЭ0,28000,40350,0962 0,001911 : 0,12 : 0,37АН0,30800,33850,6988 0,1025В0,24200,01370,1379 0,8954И0,23770,0731 0,00020,180ТМЭ0,28000,37030,1006 0,001921 : 0,07 : 0,28АН0,33600,37520,6957 0,1024В0,20400,01690,1306 0,8956И0,22700,0789 0,00020,190ТМЭ0,28000,33510,1051 0,001931 : 0,07 : 0,16АН0,39200,41660,6921 0,1022В0,13800,02120,1238 0,8957И0,21420,0849 0,00020,200ТМЭ0,28100,30130,1098 0,001841 : 0,04 : 0,05АН0,44960,45790,6880 0,1021В0,06940,02660,1173 0,8959И0,21450,0848 0,00020,2005ТМЭ0,28200,30200,1098 0,001851 : 0,04 : 0,05АН0,45120,45700,6880 0,1021В0,06630,02650,1174 0,8959И0,21370,0849 0,00020,201ТМЭ0,28200,30000,1098 0,001861 : 0,03 : 0,04АН0,45120,45950,6879 0,1021В0,06580,02690,1173 0,8959И0,21320,0851 0,00020,202ТМЭ0,28300,29890,1100 0,001871 : 0,03 : 0,04АН0,45280,46090,6878 0,1021В0,06220,02710,1171 0,8959И0,21390,0851 0,00020,203ТМЭ0,28500,30070,1101 0,001881 : 0,03 : 0,03АН0,45600,45870,6878 0,1021В0,05600,02670,1171 0,895951Окончание таблицы 2.7.910111213141516ИТМЭАНВИТМЭАНВИТМЭАНВИТМЭАНВИТМЭАНВИТМЭАНВИТМЭАНВИТМЭАНВ0,2040,28600,45760,05240,2050,28700,45920,04880,2060,28800,46080,04520,2070,28900,46240,04160,2080,29000,46400,03800,2090,29100,46560,03440,2100,29250,46800,02950,2200,29300,46880,01820,21350,29960,46000,02690,21300,29850,46140,02710,21260,29740,46270,02730,21210,29630,46410,02750,21170,29520,46540,02770,21120,29420,46670,02790,21140,29450,46630,02790,22000,29300,46880,01820,08500,10990,68790,11720,08520,11010,68770,11700,08540,11020,68760,11680,08560,11040,68740,11660,08580,11060,68730,11640,08600,11070,68710,11620,08590,11070,68720,1162-0,00020,00180,10210,89590,00020,00180,10210,89590,00020,00180,10210,89590,00020,00180,10210,89590,00020,00180,10210,89590,00020,00180,10210,89590,00020,00180,10210,8959-1 : 0,03 : 0,031 : 0,03 : 0,021 : 0,02 : 0,021 : 0,02 : 0,021 : 0,01 : 0,011 : 0,01 : 0,0071 : 0,01 : 0,0011 : 0: 0Из табл.

2.7 видна тенденция уменьшения количества ацетонитрильногослоя, также уменьшается и количество водного слоя. Это говорит о том, что исходный брутто-состав движется в направлении точки, отвечающей составу равновесного слоя. При достижении такого состояния R=0, f=3 (состав принадлежит гомогенной области).52Появление дополнительных степеней свободы требует задания концентраций других компонентов, что придает решению задачи некоторую неопределенность (произвольность).В рамках поставленной задачи для получения исчерпывающей информации о границах области трехфазного расслаивания в концентрационном тетраэдре и ее трансформации в двухфазную область нами была разработана подпрограмма к специализированному программному комплексу (описание работыпрограммы представлено в приложении 1).

С ее помощью путем серии итерационных расчетов было просканировано все концентрационное пространство иобнаружена критическая нода, при которой составы равновесных углеводородного и ацетонитрильного слоев сходятся в одну точку (табл. 2.8).Таблица 2.8.Равновесные составы слоев, отвечающих критической нодеБруттоНетто-составыНетто-составы жидких слоев,смесь,жидких слоев,мол.д.Компонентмол.д.мол.д.′∗′′′′′′ : ′′ : ′′′И0,09160,13730,13700,0002ТМЭ0,10370,15460,15420,00171 : 0: 0,5АН0,45680,63440,63490,1017В0,34790,07370,07390,8964В ходе исследования выявлены следующие закономерности эволюции области трехфазного расслаивания:- вершины треугольника расслаивания, соответствующие составам углеводородного и аценитрильного слоев, при увеличении количества изопрена,сближаются;- состав водного слоя практически не меняется;- симплекс трехфазного расслаивания при добавлении изопрена вырождается в ноду, тем самым изопрен выступает в роли гомогенизатора.На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что структура области расслаивания в четырехкомпонентной системе изопрен – триметилэтилен53– ацетонитрил – вода формируется бинодальными кривыми составляющих ИАН-В и ТМЭ-АН-В, которые определяют области двухфазного расслаивания насоответствующих гранях тетраэдра; бинодалью открытого типа системы ИТМЭ-В и областью трехфазного расслаивания в составляющей ТМЭ-АН-В, которая вырождается в двухфазную область (рис.

2.3). Характер эволюции области трехфазного расслаивания, смоделированный нами [34], совпадает с экспериментальными данными работы [2]. Таким образом, совокупность указанныхвыше процедур может быть применена для изучения четырехкомпонентныхрасслаивающихся систем с целью выявления эволюции области трехфазногорасслаивания, что принципиально для реализации принципа перераспределенияполей концентраций.

Однако возникает определенная сложность в выделениикритического брутто-состава перехода трехфазного расслаивания в двухфазноеи обратного перехода.Рис. 2.3. Структура фазовой диаграммы системы изопрен (И) – триметилэтилен (ТМЭ)– ацетонитрил (АН) – вода (В) с обозначением топологии областей расслаивания.2.3.

Разработка подхода и алгоритма исследования области равновесиятрех жидких фаз в концентрационном тетраэдреС целью исключения этой неопределенности в дальнейшем предложен новый подход и алгоритм исследования закономерностей формирования трехфазной области [162, результаты опубликованы в соавторстве с А. К. Фролковой].Условие принадлежности точки брутто-состава Х* области расслаивания сохраняется. Из математики известно, что внутри любого треугольника имеется54точка (центроид) [163], отвечающая пересечению трех медиан.

Данное понятиеиспользовано при определении состава и температуры кипения трикритическойточки в системах бензол – этанол – вода – сульфат аммония, вода – ацетонитрил – бензол – н-гексан и вода – этанол – н-бутанол – изооктан [25, 26, 33].Проведение анализа составов равновесных слоев авторы осуществляли для точек, в которых количества этих слоев равны. При исследовании эволюциитрехфазной координате точки центроида отвечает равенство количеств жидкихслоев, т.е. ′ = ′′ = ′′′ .Пусть имеется смесь i-j-k-l, в которой составляющая i-j-k характеризуетсяналичием области равновесия трех жидких фаз.

Тогда алгоритм исследованияэволюции трехфазного расслаивания сводится к представленному на рис. 2.4.Рис. 2.4. Алгоритм исследования эволюции области трехфазного расслаивания внутриконцентрационного тетраэдра с использованием понятия центроид.Примечание: а-г – виды эволюции области равновесия трех жидких фаз.55Ввод исходных данных (шаг 1) предполагает задание на начальной итерации 0 брутто-состава X 0* ( x0,i ; x0, j ; x0,k ) тройной смеси i-j-k, принадлежащего области равновесия трех жидких фаз ( x0,l = 0) , при заданных значениях температурыи давления. После чего осуществляется моделирование фазового равновесияжидкость-жидкость-жидкость данной смеси (шаг 2) с последующим получением и сравнением составов равновесных слоев X 0′ ( x0′ ,i ; x0′ , j ; x0′ ,k ), X 0′′( x0′′,i ; x0′′, j ; x0′′,k ),X 0′′( x0′′,i ; x0′′, j ; x0′′,k ) (шаги 3-5).