Диссертация (1090890), страница 12
Текст из файла (страница 12)
3.2.а)б)Рис. 3.2. Структура фазовой диаграммы и сепаратрических многообразийчетырехкомпонентных систем: а) н-гексан – циклогексан – фурфурол – вода, б) н-гептан (ноктан) – циклогексан – фурфурол – вода.Примечание: I, II, III – области дистилляции; I-1, II-1, II-2, III-1, III-2 – подобластиректификации (выделены по первому заданному разделению).Таким образом, с использованием полученной математической модели фазового равновесия можно провести систематическое исследование различныхвариантов схем разделения и подобрать рациональные режимы функционирования каждой из колонн.
Ниже представлен синтез возможных схем разделениясмесей разного состава. Наличие областей расслаивания, покрывающих прак-83тически весь концентрационной симплекс, позволяет использовать на разныхстадиях отгонные колонны, что, по мнению авторов [168], снижает энергозатраты.При разработке принципиальных схем было принято допущение об отборев качестве продуктового потока органического слоя, образующего во флорентийском сосуде при расслаивании смесей н-гексан – вода и циклогексан – вода,поскольку его состав соответствует требованиям ТУ (табл.
3.5).Таблица 3.5.Требования к чистоте продуктовКомпонентн-гексанн-гептанн-октанциклогексанфурфуролМассовое содержание, %99,099,098,599,399,5Нормативный документПримечаниеТУ 2631-003-05807999-98ТУ 2631-023-44493179-98ТУ 6-09-3748-74СТП ТУ КОМП 3-452-11ГОСТ 10939-74химически чистыйчистыйчистыйчистыйчистый3.2.1. Система н – гексан – циклогексан – фурфурол - водаАнализ структуры фазовой диаграммы системы показал наличие двух областей дистилляции и четырех подобластей ректификации (рис. 3.2а), каждойиз которых можно поставить в соответствие некоторый набор принципиальныхсхем разделения (в зависимости от состава исходной смеси F0).
Схемы включают комплексы, основанные на сочетании ректификации и самопроизвольногорасслаивания, а также отдельные колонны. На рис. 3.3 приведены структурысхем разделения исходных смесей, принадлежащих разным подобластям ректификации.Варианты схем различаются применением первого или второго заданногоразделения в колоннах, а также использованием явления расслаивания на первом этапе разделения (табл. 3.6).84(а)(б)(в)(г)(д)(е)Рис.
3.3. Принципиальные технологические схемы разделения смеси н-гексан – циклогексан– фурфурол – вода с использованием комплексов с флорентийским сосудом.85Таблица 3.6.Соответствие структуры схем разделения составу исходной смеси н-гексан –циклогексан – фурфурол – водаПринадлежность исходнойсмесиОбласть дистилляцииПодобластьректификацииII-1II-1II-2II-3IIРежим работы первой колонныПервое заВторое заданное раз- данное разделениеделение3.3б3.3а3.3д3.3гИспользованиеявления расслаивания3.3в3.3еКак видно, смесь н-гексан – циклогексан – фурфурол – вода любого состава можно разделить с использованием четырех (трех) колонн и одного (двух)флорентийских сосудов.
Наличие двух двух потоков фурфурола связано c особенностями выделения циклогексана из смеси. Циклогексан в четырехкомпонентной системе представляет собой особую точку типа седло-узел (табл. 3.1),его выделение (схемы – 3.3 б, в, д) возможно в случае выхода смеси в бинарную(циклогексан-фурфурол) или тройную (циклогексан – фурфурол – вода – схема3.3 а) составляющие, в которых в фурфурол является особой точкой типаустойчивый узел.3.2.1. Системы н-гептан (н-октан) – циклогексан – фурфурол – водаСистемы н-гептан (н-октан) – циклогексан – фурфурол – вода характеризуются наличием трех областей дистилляции и пяти подобластей ректификации(рис. 3.2б).
На рис. 3.4 представлены принципиальные технологические схемыразделения смесей, отвечающих разным подобластям ректификации (табл. 3.7).Для составляющей циклогексан – вода также имеется соответствие качестваслоев, образующихся во флорентийском сосуде, требованиям ГОСТ/ТУ (рис 3.4а, г, д, ж).Как видно (рис. 3.4), смесь н-гептан (н-октан) – циклогексан – фурфурол –вода любого состава можно разделить с использованием четырех колонн и одного (двух) флорентийских сосудов.86(а)(б)(в)(г)(д)(е)Рис. 3.4. Принципиальные технологические схемы разделения смеси н-гептан (н-октан) –циклогексан – фурфурол – вода с использованием комплексов с флорентийским сосудом.87Таблица 3.7.Соответствие структуры схем разделения составу исходной смеси н-гептан (ноктан) – циклогексан – фурфурол – водаПринадлежность исходнойРежим работы первойИспользованиесмесиколонныявления расслаиванияОбласть диПодобластьПервое за- Второе застилляции ректификации данное раз- данное разделениеделениеII-13.4б3.4аII-1II3.4дII-23.4г3.4вIII-13.4аIII3.4еIII-23.4г3.3.
Расчет материальных балансов и оценка энергозатрат на разделение3.3.1. Система н-гексан – циклогексан – фурфурол – водаРаботоспособность представленных выше схем (рис. 3.3) была подтверждена расчетом процесса ректификации. Для этого нами для трех исходныхсмесей, относящихся к разным подобластям ректификации, рассчитаны материальные балансы схем, подобраны статические параметры работы колонн,проведена оценка энергозатрат на разделение.Рассмотрим расчет материального баланса схемы, представленной на рис.3.3а. Состав исходной смеси – 100 кмоль/ч, смесь эквимолярного состава ипринадлежит подобласти ректификации II-1.Повтор рис. 3.3а.
Принципиальная технологическая схема разделения смеси н-гексан – циклогексан – фурфурол – вода с обозначением потоков.88Для данной схемы расчет материального баланса сводится к расчету общих и покомпонентных балансов отдельных аппаратов (ректификационная колонна, флорентийский сосуд).1. Колонна K1.Общий материальный баланс: 0 = 1 + 1Покомпонентный материальный баланс:- по н-гексану: 0 ∙ Гс0 = 1 ∙ Гс1 + 1 ∙ Гс2- по циклогексану: 0 ∙ цг0 = 1 ∙ цг1 + 1 ∙ цг2- по воде: 0 ∙ в 0 = 1 ∙ в 1 + 1 ∙ в 2Назначение колонны K1 – выделение н-гексана из исходной смеси в соста-ве азеотропа н-гексан – вода в дистилляте колонны. В табл.
3.8 представлен материальный баланс контура I.Таблица 3.8.Материальный баланс колонны K1Наиме- Количествонованиепотока,потокакмоль/чF0100D131,65W168,35Количество компоненСостав, мол.д.та, кмоль/чГс ЦГФВГсЦГФВ252525250,250,250,250,2525006,65 0,7898000,210202525 18,3500,3658 0,3658 0,26842. В дальнейшем дистиллатный поток колонны K1 направляется во флорентийский сосуд Ф1. На основании данных о расслаивании бинарногоазеотропа н-гексан – вода имеем количества и составы равновесных слоев ′ и ′′ (табл. 3.9).
Как уже отмечалось ранее, качество продуктового потока ( ′ )отвечает требования ТУ.89Таблица 3.9.Материальный баланс флорентийского сосуда Ф1Наиме- Количество Количество компонента,Состав, мол.д.нованиепотока,кмоль/чпотокакмоль/чГсЦГФВГсЦГФВD131,6525006,65 0,7898000,2102′25,0425000,04 0,9984000,0016′′6,610006,61 следы00~13. Исходя из условия предельного четкого заданного разделения, ставитсязадача выделения в кубовых потоках колонн K2, K4 чистого фурфурола, в колонне K3 – воды, а в дистиллатах K2 – практически чистого циклогексана, K3 –состава, лежащего на сепаратрисе, K4 – состава бинарного азеотропа фурфурол– вода.Запишем отдельно покомпонентные материальные балансы для колонн K2,K3, K4:- для колонны K2: ′ ∙ цг1 = 2 ∙ цг2 + 2 ∙ цг2- для колонны K3: ′′ ∙ в 2 = 3 ∙ в 3 + 3 ∙ в 3- для колонны K4: ′′′ ∙ ф 3 = 4 ∙ ф 4 + 4 ∙ ф 4Концентрации продуктовых компонентов в углеводородном, фурфуроль-ном и водном слоях, соответственно, известны из условия равновесия трехжидких фаз.
Таким образом, задавая концентрации ф 2 = 0, в 3 = 0,94 (составбинарного азеотропа фурфурол-вода) и ф 4 = 0,07 (состав, принадлежащий се-паратрисе), можно однозначно определить составы и количества всех потоков.Таким образом, суммарный материальный баланс при разделении смеси эквимолярного состава примет следующий вид (табл. 3.10).90Таблица 3.10.Материальный баланс схемы разделения смеси н-гексан – циклогексан –фурфурол – вода эквимолярного состава (рис.
3.3а)Наиме- Количествонованиепотока,потокакмоль/чF0100D131.65W168.35′25.04′′6.61∗91.08′27.65D225W22.65′′33.88D38.97W324.9′′′29.54D47.14W422.4Количество компонента,кмоль/чГсЦГФВ2525252525006.6502525 18.3525000.040006.61025.91 26.04 39.130252.60.0602500002.60.06000.54 33.34000.548.4400024.900.9122.95.7300.910.55.730022.40Состав, мол.д.Гс0.250.789800.9984следы0000000000ЦГ0.2500.3658000.28450.904100000.03080.12740Ф0.2500.3658000.28590.09400.97890.01590.0600.77510.071В0.250.21020.26840.0016~10.42960.00200.02110.98410.9410.19410.80260Примечание: R(G) – количества слоев при трехфазном (двухфазном) расслаивании.Рассмотрим особенности расчета материального баланса схемы (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
