Диссертация (1090575), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Несмотря на то, что какие-либо данные обуспешном промышленном применении ионных жидкостей в качестве РА влитературе отсутствуют, с точки зрения термодинамики применение ИЖ впроцессах экстрактивной ректификации выглядит весьма перспективным.19Оптимизация рабочих параметров (работы группы 2) также являетсявостребованным направлением исследований, поскольку позволяет получатьощутимую экономическую выгоду без проведения существенных реконструкцийдействующих установок. Так, в работе [52] путем изменения расходов флегмы, атакже положения тарелок ввода питания и РА в колонну удалось добитьсясокращения эксплуатационных затрат на разделение смеси ацетон – метанол вдвухколонном классическом комплексе на 14.7%.Весьма перспективным является применение для разделения азеотропных иблизкокипящих смесей комплексов с частично или полностью связаннымитепловыми и материальными потоками (работы группы 3).

Авторы [59] показали,что применение такого комплекса при реализации его в виде колонны сперегородкой (DWC – Divided Wall Column) позволяет при разделении смесиметилаль – метанол сократить как эксплуатационные затраты (на 4,1%), так икапитальные (на 17.7%). В работе [62] были проведены исследования процессаобезвоживания этанола методом экстрактивной ректификации в DWC-колонне сприменением теплового насоса, которые показали, что организация процессатаким образом позволяет снизить приведенные затраты на 24% по сравнению спростым двухколонным комплексом ЭР.В работе [65] проведено исследование энергосбережения в процессеэкстрактивной ректификации за счет приближения процесса к термодинамическиобратимому. В качестве количественного критерия необратимости процессаавторы выбрали производство энтропии в колонне S total , которое напрямуюсвязано с потерями полезной работы соотношением LW  TStotal .

Результатыисследований показали, что производство энтропии при изменении флегмовогочисла в колонне возрастает существеннее, чем при увеличении потока РА вколонну, что делает целесообразным проводить процесс с как можно меньшимифлегмовымичислами,компенсируянедостатокэффективностиколонныповышенными расходами РА. Увеличение температуры потоков питания и РАтакже позволяют снизить производство энтропии, а вместе с этим и степеньнеобратимостипроцесса.Инаконец,производствоэнтропиидовольно20чувствительно к положению ступеней ввода сырья и РА в колонну экстрактивнойректификации.В целом при исследовании процессов ЭР в современной литературедовольно часто применяются методы термодинамико-топологического анализа,который базируется на качественном и количественном анализе диаграммфазового равновесия, диаграмм дистилляционных линий, а также диаграмм изопараметров, таких как, например, изо-линии коэффициентов относительнойлетучести.

Основы методов термодинамико-топологического анализа, а такжепримеры его использования при исследовании разделения азеотропных смесейсистемно изложены в монографии [66] и работах [67 – 70].Все упомянутые в разделе 1.1.3 литературные источники сгруппированы поисследованным в них смесям в таблице 1.1.Таблица 1.1. Исследования в области фазовых равновесий, материальных балансов итермодинамических закономерностей процессов экстрактивной ректификацииИсследуемая смесьметанол - метилэтилкетонметилацетат - метанолвода – пропанол-2ацетон – изопропиловый эфирацетон - метанолароматические углеводороды –неароматические углеводороды, в том числе:бензол – н-гептанбензол – н-гексанбензол – циклогексанбензол – циклогексен – циклогексан1-гексен – н-гексанизо-парафины - нафтеныэтанол - водаэтанол - этилацетатацетон - хлороформацетонитрил - водаметанол - толуолметилаль - метанолпропандиол - этиленгликольхлороформ – этанолбензол - перфторбензолСсылка наисточник[34][36][35][37][38, 48, 52,61][32, 39, 55,51, 58, 60][40][41][42 – 45, 50,57, 61 – 63][46][47, 53][54][56][59][64][47]211.2.

Массопередача в процессах простой ректификацииИзучение процессов массопереноса в жидкостях и газах берет свое начало сработы[71],вкоторойЩукаревпутемобработкибольшогомассиваэкспериментальных данных по растворению твердых веществ пришел кэкспериментальному закону растворения твердых тел в жидкостях:M   c A  cb  f(1.3)Немного позже выводы Щукарева были подтверждены работами Нернста,который показал, что коэффициент  пропорционален коэффициенту диффузии[72]. В дальнейшем уравнение (1.3) записываемое различными авторами вразличных формах получило название основного уравнения массоотдачи.Если рассматривать массопередачу в двухфазной системе жидкость – пар(газ), то количество переданного вещества через границу раздела может бытьвыражено уравнением (1.4), а общий коэффициент массопередачи – выражениями(1.5а) и (1.5б) [13]:М K G  yb  y *   G  yb  y A    L z A  zb   K L z *  zb  ,f(1.4)1 K G  1  G  m  L  ,(1.5а)1 K L  1  L  1 m G  .(1.5б)Коэффициенты массопередачи это сложные функции гидродинамическихпараметров движения фаз в аппарате, а также их физико-химических свойств идля их математического моделирования исторически сформировался рядтеоретических моделей.

Наибольшее распространение среди них получилиследующие четыре [73 – 77]:1. Двухпленочная модель (Льюис и Уитмен [78] 1923 год);2. Пенетрационная модель (Хигби [79] 1935 год);3. Модель обновления поверхности (Данквертс [80] 1951 год);4. Модель пограничного слоя.221.2.1. Двухпленочная модельРабота Льюиса и Уитмена [78] положила начало созданию двухпленочнойтеории абсорбции газа, которая впоследствии была распространена на другиедвухфазныемассообменныепроцессы.Авторыпостулировалиналичиенеподвижных (или ламинарно движущихся) слоев газа и жидкости по обестороны от межфазной поверхности, в которых сосредоточено все сопротивлениепереносу вещества. При этом для описания элементарного акта массоотдачи вкаждой пленке была взята теория Нернста, согласно которой перенос веществачерез неподвижный слой газа можно описать при помощи уравненийстационарной молекулярной диффузии [75]:M Dm P c A  cb  y c A  cb  .fRT (1.6)1.2.2.

Пенетрационная модельВ работе [79] Хигби высказал предположение, что массообмен в реальномаппарате не может протекать в стационарных условиях, так как за короткое времяконтакта фаз оно не успевает установиться. В его модели элементарного актанебольшие объемы жидкости (газа) беспрепятственно подходят к межфазнойповерхности и в течение небольшого времени t находятся на границе раздела фазв неподвижном состоянии. Также Хигби допустил, что концентрация намежфазной поверхности и на внешней поверхности небольшого объема жидкостиостаются неизменными, что позволило рассматривать массоперенос в объемежидкости по аналогии с полубесконечным твердым телом:DM 2 m c A  cb    y c A  cb ft(1.7)1.2.3.

Модель обновления поверхностиМодель Данквертса [80] является дальнейшим развитием работы Хигби[79]. Данквертс допустил, что время пребывания объемов фаз на межфазнойповерхности может изменяться от нуля до бесконечности и предложил усреднятьего при помощи интеграла вероятности:23MfDm 0s r e  sr tdt c A  cb  tD sr c A  cb    y c A  cb  .(1.8)1.2.4. Модель пограничного слояМодель пограничного слоя допускает существование вблизи границыраздела фаз гидродинамического  г и диффузионного  пс пограничных слоев (см.рисунок 1.4), толщина которых не совпадает за исключением случаев, когдаSc  1 [75, 76].δгδпсРисунок 1.4. Гидродинамическийги диффузионный пс слои при обтекании плоскойпластины (здесь Y и X - координаты).Согласно представлениям, приведенным на рисунке 1.4, по мереприближения к межфазной границе турбулентность потока затухает и в этихобластях перенос вещества осуществляется преимущественно молекулярнойдиффузией.

На больших удалениях от межфазной поверхности веществопередается по механизму турбулентной диффузии. В промежуточной областинаблюдается смешанный массоперенос, который может быть упрощенно выраженследующим образом:Mdc Dm  ED   y c A  cb  .fd(1.9)241.2.5. Исследования кинетики массопередачи в процессах простой ректификации наразличных контактных устройствахПрименение моделей, описанных в разделах 1.2.1 – 1.2.4 для расчётамассообменных процессов на практике связано с серьезными сложностями. Дляпленочноймоделитребуетсяламинарнодвижущихсяопределениевремениповерхностинеобходимоэкспериментальноепленок;обновлениядляпенетрационнойповерхности;определениеопределениедляпараметрамоделитолщинытребуетсямоделиобновленияскоростиобновленияповерхности; в модели пограничного слоя неизвестными являются толщиныгидродинамического и диффузионного слоев.

Помимо специфических для каждоймодели неизвестных параметров, для них всех актуальными являются вопросыопределения поверхностей массообмена и движущих сил массопереноса. [75].Сложностьмоделей,аопределениятакженеизвестныхотсутствиепараметровгарантированнойвышеприведенныхадекватностиописаниямассообмена в условиях реального процесса ректификации на тарельчатых илинасадочных контактных устройствах при помощи любой из моделей привели ктому, что зачастую удобнее искать математическое описание массообмена в видеэмпирических критериальных уравнений или рассматривать процесс отдельно откинетики, определяя при этом экспериментально зависимости различныхкритериев эффективности (КПД, ВЭТС) от рабочих параметров процессовректификации [13].

Такого рода работы актуальны в современной литературе игруппируются по типам исследованных контактных устройств.Авторы [81] подошли к описанию массообмена в тарельчатой колонне наоснове концепции «активного участка», согласно которой наиболее активныймассообмен наблюдается на небольшом расстоянии от отверстия истечения газа.При этом авторы использовали модель дифузионного пограничного слоя дляопределения коэффициентов массоотдачи в фазах. Расчетные данные покоэффициентам массоотдачи показали удовлетворительное соответствие сданными экспериментов.25Весьма актуальными являются исследования эффективности переноса впроцессе ректификации на контактных устройствах вихревого (центробежного)типа. Главным достоинством таких контактных устройств является их высокаяпропускная способность по сравнению с насадками и тарелками барботажноготипа, что позволяет на их основе конструировать аппараты большой единичноймощности и экономить на капитальных затратах.

Характеристики

Список файлов диссертации