Диссертация (1090890), страница 9
Текст из файла (страница 9)
При наличии экспериментальных данных о фазовомравновесии жидкость – жидкость – жидкость в тройной составляющей i-j-kможно опустить шаги 2-3.Поскольку на начальной итерации невозможно равенство составов слоев(шаги 4,5), то вычисляется координата центроида (шаг 6): x1,i =x1, j =x0′ , j + x0′′, j + x0′′′, j3; x1,k =x0′ ,i + x0′′,i + x0′′′,i;3x0′ ,k + x0′′,k + x0′′′,k. В дальнейшем требуется изменить состав3брутто-смеси X 1* (итерация 1) добавлением первого компонента с определенным шагом ( x1,l ) к смеси, соответствующей центроиду, т.е. уменьшить содержание компонентов i, j, k на величину 1/3 шага. Таким образом, координататочки X 1* в первой итерации имеет следующий вид: x1,i =x1, j =x1′, j + x1′′, j + x1′′,′j3−x1′,i + x1′′,i + x1′′,′i x1,l−;33x1,lx′ + x1′′,k + x1′′,′k x1,l; x1,k = 1,k; x1,l (шаг 7).
В последующих итера−333циях подход аналогичен.После этого осуществляется моделирование фазового равновесия жидкость – жидкость – жидкость четырехкомпонентной смеси i-j-k-l (шаг 8) с повторным получением (шаг 9) и анализом составов равновесных слоев 1′ , 1′′ , 1′′′(шаги 10,11).
Необходимо проверить, происходит ли обнуление одной (илидвух) концентраций в равновесных слоях. Этим случаям отвечают: 1) выходобласти трехфазного расслаивания на другую тройную составляющую (рис.2.4б); 2) вырождение трехфазной области в двухфазную на гранях или ребрах56тетраэдра (рис. 2.4а). В случае выполнения этих условий действие алгоритмазаканчивается.Если такое условие не выполняется, необходимо вернуться на этап сравнения составов равновесных слоев (шаг 4). В случае отсутствия равенства произвести следующую итерацию. Выполнение условия X z′ = X z′′ = X z′′′ , где z – номеритерации, означает, что данный брутто-состав X z* ( xz ,i ; xz , j ; xz ,k ; xz ,l ) отвечает такназываемой трикритической точке [14] (рис.
2.4 в), в то время как выполнениеравенства двух равновесных слоев X z′ = X z′′ отвечает критической ноде переходатрехфазного расслаивания в двухфазное в тетраэдре (рис. 2.4 г). Действие алгоритма заканчивается, т.е. область трехфазного расслаивания вырождается вдвухфазную область.Характеристики итерационных процедур представлены в табл. 2.9.Таблица 2.9.Характеристики итерационных процедур исследования эволюции трехфазногорасслаивания в концентрационном тетраэдреИтерацияКонцентрации компонентовijkl0x0,ix0, jx0,kx0,l1x1,ix1, jx1,kx1,l2x2,ix2 , jx2 , kx2,l……………z-1x z −1,ix z −1, jx z −1,kx z −1,lx z ,ixz , jx z ,kx z ,lxz , jx z ,kx z ,lx z ,i0x z ,kx z ,lx z ,ixz , j0x z ,lz0ПримечаниеИсходный состав тройной смесиПромежуточные четырехкомпонентныесоставыВырождение треугольника расслаивания в ноду жидкость-жидкость внутриконцентрационного тетраэдра (φж=2)или вырождение в трикритическую точку (φж=0)Выход треугольника расслаивания награнь тетраэдра (φж=3)57Продолжение таблицы 2.9ИтерацияzКонцентрации компонентовijkl00x z ,kx z ,l0xz , j0x z ,lx z ,i00x z ,lПримечаниеВырождение треугольника расслаивания в ноду жидкость-жидкость на граниили ребре тетраэдра (φж=2)Виды эволюции области трехфазного расслаивания, которые могут бытьсмоделированы с использованием предложенного алгоритма (рис.
2.4 а-г),представлены в работе В. П. Сазонова [14] на примере четырехкомпонентныхсистем при варьировании температуры.С использованием выше описанного алгоритма получены данные по фазовому равновесию жидкость-жидкость-жидкость (табл. 2.10) для системы изопрен – триметилэтилен – ацетонитрил – вода. Данные вычислительного эксперимента подтверждают характер эволюции трехфазной области (рис.
2.4 г),определенный в натурном эксперименте в работе [2].Таблица 2.10.Результаты исследования эволюции области трехфазного расслаивания в концентрационном тетраэдре системы изопрен – триметилэтилен –ацетонитрил – вода при 20 °С, 101,3 кПаСостав брутто-смеси ∗ ,мол.д.XиXтмэXанXв00.3333 0.3333 0.33340.0010 0.3147 0.3030 0.38130.0020 0.3136 0.3033 0.38120.0030 0.3125 0.3035 0.3810…0.0205 0.2931 0.3087 0.37770.0215 0.2920 0.3090 0.3775…0.0400 0.2710 0.3155 0.37360.0409 0.2700 0.3158 0.3734…0.0600 0.2472 0.3242 0.36860.0609 0.2462 0.3246 0.3684…0.0801 0.2214 0.3362 0.36240.0808 0.2203 0.3367 0.3621…0.1001 0.1874 0.3592 0.35330.1006 0.1861 0.3604 0.3529…0.1050 0.1617 0.3855 0.34790.1049 0.1595 0.3880 0.3476…0.0916 0.1037 0.4568 0.3479Состав углеводородногоСостав ацетонитрильногоСостав водного слояСоотношение количеств′′′′′′слоев, мол/молслоя , мол.д.слоя , мол.д.
,, мол.д.xиxтмэxанxвxиxтмэxанxвxиxтмэxанxв ′ : ′′ : ′′′0.8746 0.1211 0.00430.0674 0.681 0.25170.0031 0.1079 0.8891 : 1,1 : 0.751:1:10.0027 0.8713 0.1216 0.0043 0.0003 0.0674 0.6813 0.2511 0.0000 0.0031 0.1078 0.88911:1:10.0055 0.8680 0.1222 0.0043 0.0005 0.0674 0.6816 0.2505 0.0000 0.0031 0.1078 0.88911:1:10.0082 0.8647 0.1228 0.0043 0.0008 0.0675 0.6819 0.2499 0.0000 0.0031 0.1078 0.88920.0557 0.8060 0.1339 0.0045 0.0057 0.0682 0.6872 0.2389 0.0000 0.0029 0.1070 0.89010.0582 0.8028 0.1345 0.0045 0.0060 0.0683 0.6875 0.2383 0.0000 0.0029 0.1070 0.89011:1:11:1:10.1073 0.7386 0.1493 0.0047 0.0122 0.0696 0.6930 0.2252 0.0001 0.0027 0.1061 0.89110.1097 0.7354 0.1501 0.0047 0.0125 0.0697 0.6933 0.2245 0.0001 0.0026 0.1061 0.89121:1:11:1:10.1587 0.6652 0.1709 0.0052 0.0207 0.0720 0.6986 0.2086 0.0001 0.0024 0.1052 0.89220.1608 0.6620 0.1720 0.0052 0.0212 0.0721 0.6989 0.2078 0.0001 0.0024 0.1052 0.89231:1:11:1:10.2067 0.5834 0.2037 0.0062 0.0326 0.0764 0.7032 0.1877 0.0001 0.0022 0.1042 0.89350.2084 0.5800 0.2054 0.0063 0.0332 0.0766 0.7034 0.1868 0.0001 0.0022 0.1041 0.89351:1:11:1:10.2449 0.4700 0.2757 0.0095 0.0538 0.0874 0.7034 0.1555 0.0002 0.0020 0.1030 0.89490.2454 0.4654 0.2795 0.0097 0.0547 0.0879 0.7032 0.1542 0.0002 0.0020 0.1029 0.89491:1:11:1:10.2397 0.3780 0.3662 0.0160 0.0717 0.0995 0.6965 0.1323 0.0002 0.0019 0.1024 0.89560.2378 0.3701 0.3752 0.0169 0.0731 0.1006 0.6957 0.1306 0.0002 0.0019 0.1023 0.89561:1:11:1:10.1373 0.1546 0.6344 0.0737 0.1370 0.1542 0.6349 0.0739 0.0002 0.0017 0.1017 0.89641:1:158592.4.
Термодинамико-топологический анализ диаграммы фазовогоравновесия и синтез принципиальных технологических схем разделениясмеси изопрен – триметилэтилен – ацетонитрил – водаВзаимное расположение сепаратрических многообразий и областей расслаивания является принципиальным при решении задачи разделения азеотропных смесей с использованием ПППК, основанного на сочетании ректификации и расслаивания.
Термодинамико-топологический анализ диаграммы парожидкостного равновесия четырехкомпонентной системы (рис. 2.1 б) позволил выявить три области (дистилляции), сформированные пучками дистилляционных линий, которые начинаются в тройном гетероазеотропе с минимумомтемпературы кипения (И-АН-В) и заканчиваются в точках чистых компонентов(ТМЭ, АН, В). Области отделены сепаратрическими многообразиями, порождаемыми седловидными азеотропами ТМЭ-АН, ТМЭ-В, АН-В [164, результатыполучены совместно с А. К. Фролковой].С учетом задаваемых составов исходных смесей в концентрационном симплексе выделены семь подобластей ректификации. Для каждой подобластипроведен анализ возможности ректификационного разделения смесей конкретного состава (табл.
2.11, рис. 2.5). На рис. 2.5 приведены структуры принципиальных схем ректификации, различающие применением первого и второго заданного разделения. Рассматриваются разделения, при которых составы потоков принадлежат границам области ректификации. Величины рецикловых потоков для таких режимов минимальны. Структуры схем также различаютсяпринадлежностью составов промежуточных потоков областям двух- или трехфазного расслаивания; расслаиванием дистиллатного или кубового продуктов.Основные трудности связаны с выделением в чистом виде изопрена, поскольку в концентрационном симплексе ему соответствует особая точка типаседло-узел. Изопрен можно выделить либо в составе минимально кипящеготройного гетероазеотропа И-АН-В; либо в составе азеотропа И-АН в случае60выхода на составляющую И-ТМЭ-АН; либо в чистом виде, но в этом случаевозникают трудности с выделением других компонентов.Таблица 2.11.Соответствие структуры схем разделения составу исходной смеси изопрен –триметилэтилен – ацетонитрил – водаПринадлежность исходной смесиОбластьПодобластьдистилляцииректификацииI-1II-2II-1IIII-2II-3III-1IIIIII-2Режим работы первой колонныПервое заданное Второе заданноеразделениеразделениеа, бж, зв*г*д*и*а, ба, бк*е*Примечание: * - схемы, в которых часть компонентов выделяется в виде смесей (азеотропы; смеси, принадлежащие сепаратрисе S).
Подобласти ректификации выделены по первому заданному разделению в первой колонне.Анализ схем показал, что имеется лишь ограниченная область составов впервой области дистилляции, из которых сочетанием ректификации и расслаивания теоретически возможно выделение всех компонентов в чистом виде (рис2.5 а,б,ж,з). Схемы представляют собой комбинацию двух комплексов, в которых реализуются разные виды расслаивания (двухфазного, трехфазного) (рис.2.5 а, б, ж, з).
Схемы различаются режимами работы первой колонны (первоеили второе заданное разделение). Однако термодинамико-геометрический анализ показал, что взаимное расположение областей расслаивания и сепаратрических многообразий неблагоприятно (рис. 2.6), что обуславливает большие количества рецикловых потоков (большие значения D/W в колоннах выделенияизопрена, триметилэтилена и ацетонитрила). Под геометрией мы понимаемконкретные составы азеотропов, а также взаимное расположение сепаратрисотносительно областей расслаивания. Таким образом, можно сделать вывод,что особенности структуры фазовой системы И – ТМЭ – АН – В не позволяютвыделить все компоненты в чистом виде. Возможно, по этим причинам дляразделения изопрен – изоамиленовой фракции в работе [165] предложена схемас экстрактивной ректификацией.61а)б)в)г)д)е)Рис.
2.5. Структуры схем обычной ректификации смесей системы изопрен – триметилэтилен – ацетонитрил – вода, принадлежащих разным подобластям ректификации.62ж)з)и)к)Окончание Рис. 2.5. Структуры схем обычной ректификации смесей системы изопрен –триметилэтилен – ацетонитрил – вода, принадлежащих разным подобластям ректификации.Рис. 2.6. Взаимное расположение сепаратрисы и нод жидкость-жидкость в системахизопрен – ацетонитрил – вода и триметилэтилен – ацетонитриол – вода.Для дальнейшего исследования влияния структуры фазовой диаграммы«комплекс жидких фаз» - пар на возможность полного разделения смесейрассмотрены модельные четырехкомпонентные системы с благоприятнымрасположением азеотропов и сепаратрис относительно областей расслаивания.632.5.
Модельные системыВ данном разделе исследованы особенности структур фазовых диаграммчетырехкомпонентных модельных систем А, В, С класса 4.5.2.0 (рис. 2.7а), содержащих в разных комбинациях компоненты 1, 2, 3, 4, 5: 1-2-3-4 (система А),1-2-3-5 (система В) и 1-2-4-5 (система С). Методом математического моделирования были спрогнозированы свойства данных систем. Параметры уравненияNRTL, а также свойства чистых веществ, азеотропия, парожидкостное равновесие, равновесие жидкость-жидкость представлены в приложении 2 (табл. П2.1П2.2).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
