Диссертация (1090890), страница 17
Текст из файла (страница 17)
Запишем общий материальный баланс контура: ′′ = 2 + 2Покомпонентный материальный баланс по воде примет вид:′′ ′′ ∙ В = 2 ∙ В 2 + 2 ∙ В 2Поскольку в работе оперируем понятием четкого разделения, то В 2 =1, В 2 ∈ (S – сепаратриса). На основании данных о парожидкостном равновесии примем, что В 2 ≈ 0.12 для этанольной системы и В 2 ≈ 0.56 для пропа′′нольной. Значение В известно на основании данных о равновесии жидкость-жидкость (расслаивание тройного азеотропа).Тогда, подставив известные значения, получим:′′ ′′ ∙ В = ( ′′ − 2 ) ∙ В 2 + 2′′где1−В 2′′В −В 2В таком случае: = 2 ∙1 − В 2′′В − В 2,= – коэффициент извлечения воды из равновесного слоя ′′ .
′′ = ∙ 2 и2=−122 = 2 ∙ ( − 1)122Флорентийский сосуд Ф1.Назначение: самопроизвольное расслаивание азеотропа Э-В-РА на дваравновесных слоя ′ и ′′.Запишем общий материальный баланс контура:1 = ′ + ′′Поскольку известны составы всех потоков, то можно вывести уравнениесвязывающее ′ и ′′ . Уравнение покомпонентного материального баланса поводе имеет вид:′1 ∙ В 1 = ′ ∙ В + ′′ ∙ В′′′( ′ + ′′ ) ∙ В 1 = ′ ∙ В + ′′ ∙ Вгде ′ и ′′.В 1 −В′′′В −В 1′′′′ ′ В 1 − В=, ′′ В′ − В1= – коэффициент распределения воды в равновесных слояхТогда: ′ = ∙ ′′ = ∙ ∙ 2Контур, охватывающий схему в целом.Общий материальный баланс:0 = 1 + 2Поскольку известен состав исходной смеси и величины 1 и 2 (из усло-вия четкого заданного разделения состав продуктовых потоков xпродукт ≈ 1),имеем:гдеЭ 0В 01 = 2 ∙Э0В0,= – коэффициент, равный соотношению продуктов в исходнойсмеси.
Тогда:0 = 1 + 2 = 2 ∙ (1 + с)Брутто-смесь, поступающая в колонну K1, - ∗ . На основании материаль-ного баланса смешения:123 ∗ = 0 + ′ + 2Получаем ∗ = 2 ∙ (1 + с) + ∙ ∙ 2 + 2 ∙ ( − 1) ∗ = 2 ∙ ( + ∙ + с)Рабочий параметр колонны K1:11= ′ + ′′1=∙2 ∙(1+) 11;1=Суммарное количество рецикловых потоков: ∑ = 2 + ′∙(1+)Подставляя ранее полученные уравнения для 2 и ′ , получаем:� = 2 (а − 1 + ∙ )Для веществ, рассмотренных в качестве РА в процессе ГАР смесей этанол- вода и пропанол – вода, рассчитаны значения коэффициентов a, b, c; определены соотношения D/W в колоннах и посчитаны величины суммарных рецикловых потоков (табл.
4.9, 4.10). Расчет произведен на 100 кмоль/ч исходнойсмеси азеотропного состава.Как видно, по мере увеличения температуры кипения РА в гомологическом ряду происходит изменениегеометрической структуры фазовой диа-граммы тройной системы спирт – вода – разделяющий агент, а именно: составов и взаимного расположения бинарных и тройного азеотропа, содержащихРА (рис. 4.5). Последнее соответственно проявляется в величине рабочего параметра колонн D/W, величинах рецикловых потоков [179, результаты получены совместно с А.К.
Фролковой].Рис. 4.5 Взаимное расположение тройного и бинарных азеотропов и хода нод жидкостьжидкость по мере увеличения температуры кипения РА (на примере системы этанол – вода –РА).Таблица 4.9.Влияние природы разделяющего агента на параметры работы колонн комплекса ГАР смеси этанол – вода№13689101112141519202123273035Наименованиекомпонента(РА)н-пентан2-метил-2-бутенциклопентан2,3-диметилбутан2-метилпентан3-метилпентанн-гексанметилциклопентанбензолциклогексанн-гептан2,2,4-триметилпентанметилциклогексантолуолн-октанэтилбензол*н-нонан*Состав тройногогетероазеотропа, мол.д.ЭВРА0.0681 0.0396 0.89230.0755 0.0466 0.87790.1219 0.0659 0.81220.172 0.0853 0.74270.1851 0.092 0.72290.2028 0.1001 0.69710.2572 0.1099 0.63290.2655 0.1232 0.61130.2810 0.1914 0.52760.3213 0.1517 0.5270.458 0.1874 0.35460.4407 0.1921 0.36720.4551 0.1945 0.35040.4673 0.2731 0.25960.613 0.2275 0.15950.5877 0.2939 0.11840.6792 0.2418 0.079Состав равновесных слоев , мол.д.
′′ , мол.д.ЭВРАЭВРА0.0265 0.0005 0.9730 0.499 0.4446 0.05640.0478 0.0025 0.9497 0.4069 0.5752 0.01790.0223 0.0007 0.9770 0.5621 0.3543 0.08360.0313 0.0007 0.9680 0.5895 0.3363 0.07420.0311 0.0005 0.9684 0.5887 0.3317 0.07960.0313 0.0005 0.9682 0.5928 0.3267 0.08050.0611 0.0026 0.9363 0.6448 0.3220 0.03320.0412 0.0009 0.9579 0.6296 0.3217 0.04870.1055 0.0060 0.8885 0.5035 0.4246 0.07190.0637 0.0010 0.9353 0.6255 0.3297 0.04480.0292 0.0007 0.9701 0.6729 0.2810 0.04610.0560 0.0010 0.9430 0.6511 0.2966 0.05230.0682 0.0014 0.9304 0.6615 0.2975 0.04100.1327 0.0061 0.8612 0.5702 0.3552 0.07460.0371 0.0008 0.9621 0.7035 0.2631 0.03340.6764 0.1150 0.2086 0.4738 0.5238 0.00240.0911 0.0012 0.9077 0.7064 0.2529 0.0407′Значениякоэффициентовabc2.71 10.37 8.091.93 11.98 8.093.76 4.42 8.094.07 2.97 8.094.16 2.62 8.094.26 2.28 8.094.36 1.98 8.094.36 1.62 8.092.89 1.26 8.094.20 1.18 8.095.47 0.50 8.094.98 0.55 8.094.96 0.53 8.093.74 0.31 8.096.15 0.16 8.092.18 1.29 8.096.62 0.05 8.09Кол-воРА,кмоль302.52242.33181.91131.81119.66106.9490.2476.9737.9453.0532.0131.1529.3213.9712.486.496.02D1/W1D2/W2∑R,кмоль3.813.102.521.991.861.721.601.410.811.131.010.950.940.600.880.620.861.710.932.763.073.163.263.363.361.893.204.473.983.962.745.151.185.62328,0265,0213,0166,5154,5142,4131,6114,960,989,779,373,872,642,867,343,865,2*- разделяющие агенты, образующие с компонентами исходной смеси систему класса 3.2.1-2в.124Таблица 4.10.Влияние природы разделяющего агента на параметры работы колонн комплекса ГАР смеси пропанол – вода№11121415192021232730313234353840Наименованиекомпонента(РА)н-гексанметилциклопентанбензолциклогексанн-гептан2,2,4-триметилпентанметилциклогексантолуолн-октанэтилбензолп-ксиленм-ксилено-ксиленн-нонан1,3,5-триметилбензолн-деканСостав тройногогетероазеотропа, мол.д.ПВРА0,0358 0,1904 0,77380,0842 0,1804 0,73550,0797 0,269 0,65130,1208 0,2384 0,64080,2111 0,3409 0,4480,2098 0,341 0,44920,2163 0,3488 0,43490,2592 0,4204 0,32030,3181 0,4596 0,22230,3254 0,5267 0,14790,33 0,5176 0,15240,3309 0,5258 0,14330,3305 0,5422 0,12730,3572 0,5337 0,1090,3632 0,571 0,06580,3746 0,5791 0,0463Состав равновесных слоев , мол.д.
′′ , мол.д.ПВРАПВРА0,0004 0,0014 0,9982 0,1577 0,8418 0,00050,0007 0,0004 0,9989 0,3110 0,6693 0,01970,0012 0,0019 0,9969 0,2251 0,7637 0,01120,0025 0,0003 0,9973 0,3302 0,6597 0,01010,0022 0,0003 0,9975 0,3727 0,6043 0,02310,0024 0,0002 0,9974 0,3703 0,6047 0,02500,0020 0,0003 0,9976 0,3716 0,6013 0,02720,0015 0,0012 0,9974 0,3498 0,5680 0,08220,0030 0,0003 0,9967 0,4051 0,5864 0,00850,0045 0,0013 0,9943 0,3713 0,6018 0,02690,0028 0,0015 0,9958 0,3786 0,5942 0,02730,0051 0,0013 0,9935 0,3803 0,6054 0,01430,0036 0,0013 0,9951 0,3699 0,6074 0,02260,0028 0,0003 0,9969 0,3950 0,5908 0,01420,0046 0,0011 0,9944 0,3844 0,6047 0,01080,0307 0,0008 0,9685 0,3918 0,6080 0,0002′ЗначенияКол-воD1/коэффициентовРА,W1кмольabc1,56 3,45 0,75 306,19 9,204,03 2,72 0,75 627,18 19,832,16 1,85 0,75 228,71 8,174,41 1,77 0,75 446,22 16,199,94 0,77 0,75 450,11 23,379,84 0,77 0,75 446,98 23,1410,66 0,72 0,75 455,68 24,3755,34 0,35 0,75 1365,82 99,1716,66 0,28 0,75 269,31 28,1710,52 0,14 0,75 101,36 15,9412,87 0,15 0,75 128,37 19,599,69 0,15 0,75 91,17 14,809,27 0,12 0,75 75,41 13,7814,30 0,11 0,75 98,31 20,979,84 0,06 0,75 39,08 13,819,17 0,05 0,75 25,40 12,76D2/W2∑R,кмоль0,563,031,163,418,948,849,6654,3415,669,5211,878,698,2713,308,848,17338,69795,72294,16639,35947,70938,06990,784207,191154,47628,31785,33579,25535,40844,92536,87491,61125126Как видно из табл.
4.9, 4.10 гетероазеотропная ректификация смеси этанол – вода характеризуется меньшими значениями рецикловых потоков, чтосвязано с более благоприятным ходом нод жидкость-жидкость и составомтройного гетероазеотропа. В то же время геометрические особенности расположения сепаратрис в окрестности тройных гетероазеотропов (рис. 4.6, 4.7)определяют более высокие значения флегмовых чисел и эффективностей колонн (табл. 4.11) в комплексе обезвоживания этилового спирта по сравнению спропанольной системой.а)б)в)г)Рис. 4.6. Особенности хода сепаратрис в окрестности тройного гетероазеотропа в системах этанол – вода – РА, где РА: а) гексан (Гс); б) циклогексан (ЦГ); в) бензол (Б); г) толуол (Т).127а)б)в)Рис.
4.7. Особенности хода сепаратрис в окрестности тройного гетероазеотропа в системах пропанол – вода – РА, где РА: а) гексан (Гс); б) циклогексан (ЦГ); в) бензол (Б).Таким образом, в комплексах ГАР обеих систем на энергозатраты оказывают влияния две антибатно меняющиеся величины: отбор дистиллата и флегмовое число. Последнее объясняет наличие экстремума для разных разделяющих агентов.
Для гетероазеотропной смеси этанол – вода с бензолом наблюдаются минимальные значения энергозатрат, а для системы пропанол – вода сциклогексаном максимальные.На наш взгляд, доминирующим фактором, определяющим суммарныеэнергозатраты, является количество рецикловых потоков, поэтому предложенная нами методика позволяет на первом этапе выделить множество потенциально эффективных гетероазеотропобразующих агентов. Для окончательного128отбора РА необходим расчет ректификации и оптимизация статических параметров работы колонн.Таблица 4.11.Результаты расчета ректификации и энергозатрат на разделение смеси спирт –вода с разными разделяющими агентамиПоказателиРАabD1/W1D2/W2Кол-во РА, кмоль∑R, кмольNт.т.Nпит.K1RQреб., МВтNт.т.Nпит.K2RQреб., МВт∑Q, МВтРАПоказателиabD1/W1D2/W2Кол-во РА, кмоль∑R, кмольNт.т.Nпит.K1RQреб., МВтNт.т.Nпит.K2RQреб., МВт∑Q, МВтн-гексанциклогексанбензолсистема этанол – вода - РА4.364.202.881.981.181.261.611.130.813.363.201.8890.5153.0737.82132.089.760.72020209530.51.02.01.9481.9632.1122030301825258.04.04.03.8121.9781.2225.763.9413.334система пропанол – вода - РАтолуол3.740.310.602.7413.9742.83067.04.58940248.03.0817.67н-гексанциклогексанбензолбензол*1.563.449.200.56305.93338.4220141.59.212070.81.17510.3854.421.7716.223.42446.89640.502090.510.8882071.07.27518.1432.161.858.171.16228.71294.1620100.465.3162070.71.8667.1822.161.858.171.16132.97171.0220100.63.38120160.451.1924.573Примечание: * - расчет произведен выделение 25 кмоль /ч пропанола, что отвечает 58.14кмоль/ч исходной смеси пропанол – вода азеотропной состава129Таким образом, применение гетероазеотропной ректификации с даннымиРА при разделении смеси пропанол-вода не может быть рекомендовано в качестве основного метода, т.к.
колонны характеризуются большими значениямиD/W. Для разделения азеотропной смеси пропанол – вода предложена экстрактивная ректификация с этиленгликолем в качестве разделяющего агента [180].Выбор последнего осуществлен с использованием рекомендаций, предложенных авторами [181-183] и базирующихся на анализе концентрационных зависимостей избыточной энергии Гиббса в бинарных составляющих пропанол –этиленгликоль и вода – этиленгликоль (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
