Диссертация (1091053), страница 11
Текст из файла (страница 11)
2.4) исходная смесь, как и в варианте 2.2,первоначальноподаетсянастадиюдистилляции.Однако,продукт,обогащенный компонентом А, в этом случае получается в кристаллическомвиде КА, а продукт, обогащенный компонентом В, в виде кубового остатка W.71При этом для расчета выхода продуктов разделения можно использоватьзависимости (2.37) и (2.38).При рассмотрении стадии кристаллизации КрА данного вариантаполучаются зависимости:А = А = П −МА;(2.51);(2.52)КА −МАКА −ПКА −МАQКА = ПcПtП1 + КА(rКА – cКАtФА) – МАcМАtФА.(2.53)Соответственно для расчета стадии дистилляции можно использоватьзависимости:=( − )+А (МА − )П −;(2.54)W = F + МА – П;(2.55)QИ = ПhП + WcWtИ – FсFtF1 – МАcМАtМ1.(2.56)Температуры исходной смеси tF1 и маточника tМ1, поступающих настадию дистилляции, можно определить, используя зависимости (2.17) и(2.34).2.3. Анализ влияния параметров на эффективность разделенияИспользуяприведенныевышезависимости,намидлявсехрассмотренных выше вариантов, был выполнен анализ влияния основныхтехнологических параметров на выход и составы продуктов разделения,расходы рециркулирующих потоков дистиллятов, кубовых остатков иматочников, а также на расход тепла на стадии дистилляции, количествоотводимого тепла на стадии кристаллизации и мощность компрессоратеплового насоса.
Этот анализ проводился применительно к разделениюбинарных органических и водно-органических смесей: бензол–нафталин ивода–масляная кислота, имеющих различные теплофизические свойствакомпонентов, которые приведены в табл. П. 1 (см. Приложение). Там же нарис. П.1–П.4 показаны диаграммы равновесия фаз «жидкость–пар» и«жидкость–кристаллическая фаза» для данных смесей. Для системы бензол–72нафталин температура кристаллизации эвтектики tЕ = -3,5оС с содержаниембензола в эвтектической смеси xЕ = 91%, а для системы вода–маслянаякислота tЕ = -13.5оС с содержанием воды в эвтектической смеси xЕ = 12.5%.Коэффициенты относительной летучести для данных смесей составляют α =28.6 и α = 19.96. В качестве легколетучего компонента в первой смесивыступает бензол, а во второй – вода. Отметим, что диаграмма равновесияфаз «жидкость–пар» для системы вода–масляная кислота имеет азеотропнуюточку (xAZ = 81.6 % воды, tAZ = 99.4 оС).В качестве промежуточного теплоносителя теплового насоса для всехрассматриваемых вариантов разделения была выбрана вода, имеющаянаиболее высокие значения теплоты испарения и энтальпии паровой фазы посравнению с другими «рабочими телами» тепловых насосов [6].
При этомдавления p1 и p2 в контуре циркуляции промежуточного теплоносителяустанавливались такими, чтобы температура испарения теплоносителя GП вконденсаторе К теплового насоса была на 10оС ниже температурыконденсациипаровдистиллятаП,атемператураохлажденияпромежуточного теплоносителя в испарителе И была соответственно на 10 оСвыше температуры испарения маточника tИ.Вариант 2.1Анализ процесса разделения при использовании данного вариантаразделения проводился на примере разделения бинарной смеси бензолнафталин [205, 206, анализ процесса разделения выполнен вместе с Г.А.Носовым, Д.А.
Поповым и В.И. Бельской]. Схема данного вариантаразделения показана на рис. 2.1. Продукт, обогащенный высококипящимкомпонентом (нафталином) в данном случае получается в кристаллическомвиде, а продукт, обогащенный низкокипиящим компонентом (бензолом)получается в виде дистиллята. Исходная смесь F подается на стадиюкристаллизации КрВ.На рис. 2.5 показана зависимость выхода кристаллической фазы φКВ =КВ/F от температуры охлаждения tФВ на стадии кристаллизации КрВ при73различных составах охлаждаемых смесей xF, из которого видно, что сувеличением содержания бензола в смеси и повышением температуры tФВвыходкристаллическойфазызакономерноснижается.Повышениетемпературы нагрева смеси на стадии дистилляции tИ приводит к заметномуснижению содержания бензола в дистилляте (рис.
2.6).Проведенные расчеты показали, что при постоянной концентрацииисходной смеси xF и постоянной температуре нагрева смеси на стадиидистилляции tИ изменение температуры охлаждения смеси tФВ на стадиикристаллизации КрВ практически не влияет на выход продуктов разделенияКВ и П (рис. 2.7). В то же время изменение данной температуры оказываетдовольно сильное влияние на рециркулирующие потоки маточника МВ икубового остатка W, а также на энергетические показатели процессаразделения (рис. 2.8).При приближении температуры tИ к температуре кипения смесиэвтектического состава (равной для рассматриваемой смеси tКЕ = 87оС)диапазон возможного изменения температуры tФВ сокращается вплоть донуля. Пунктирные линии на рис.
2.7 и рис. 2.8 соответствует предельнымзначениям tФВ, при которых состав образующихся маточников xМ становитсяравным составу кубового остатка xW, а температура tФВ становится равнойтемпературе ликвидуса tЛW кубового остатка. При дальнейшем повышениитемпературы tФВ выше tЛW при выбранных значениях концентрации xFрассматриваемый процесс разделения становится невозможным, так какобразующийся маточник будет иметь температуру кипения выше выбранногозначения tИ.С повышением температуры охлаждения tФВ исходной смеси F икубового остатка W на стадии кристаллизации выход маточника МВпервоначальноменяетсянезначительно(рис.2.8,а).Однакоприприближении данной температуры к температуре ликвидуса tЛW кубовогоостаткаWколичествоматочника74МВ,поступающегосостадии1120,8φКВ = КВ / F30,6450,460,270-100102030t,оС4050607080Рис.
2.5. Зависимость выхода кристаллической фазы от температуры охлаждениябинарных смесей бензол–нафталин при различных их составах: 1 – xF = 0% бензола; 2 – 10%; 3 –20%; 4 – 40%; 5 – 50%; 6 – 60%; 7 – 80%.100yП, % бензола90807080100120tИ, оС140160180Рис. 2.6. Зависимость содержания бензола в дистилляте от температуры кипениябинарных смесей бензол–нафталин.750,5а4tФВ = tЛWφКВ = КВ / F0,49320,4810,47tЕ0,534φП = П / F0,52320,51tФВ = tЛW1б0,5-10tЕ1030tФА, оС5070Рис. 2.7.
Зависимость относительных потоков кристаллической фазы (а) идистиллята (б) от температуры охлаждения исходной смеси и рециркулирующегокубового остатка на стадии КрВ (вариант 2.1, система бензол–нафталин, xF = 50% бензола):1 – tИ = 100оС; 2 – tИ = 110оС; 3 – tИ = 120оС; 4 – tИ = 130оС.7610аφМВ = МВ / F812346420tЕtЛW1tЛW2tЛW3 tЛW410б8φW = W / F12346420-10tЕ1030tФВ, оС5070Рис.
2.8. Зависимость относительных потоков маточника (а) и кубового остатка (б)от температуры охлаждения tФВ (параметры разделения см. рис. 2.7).77кристаллизациинастадиюдистилляции,резковозрастает.Этосоответственно приводит к увеличению потока кубового остатка W,возвращаемого со стадии дистилляции на стадию кристаллизации (рис.2.8,б).Характерно, что зависимости количества тепла QКВ, отводимого настадии кристаллизации, от температуры tФВ имеют экстремальный вид (рис.2.9,б).
Это объясняется следующим образом. Первоначально, когда потокрециркулирующего кубового остатка относительно мал, повышение tФВприводит к уменьшению отводимого тепла на стадии кристаллизации. Далее,однако, в результате резкого увеличения потока W количество тепла QКВ настадии КрВ также резко увеличивается.УвеличениепотокаматочникаМВ,поступающегонастадиюдистилляции, приводит к соответствующему росту расхода тепла QИ,затрачиваемого на испарение маточника на стадии дистилляции (рис. 2.9,а), атакже к повышению расхода промежуточного теплоносителя GП (рис.
2.10,а)и мощности компрессора теплового насоса NД (рис. 2.10,б). При этомвозрастает как удельный BТ, так и относительный nТ расход условноготоплива на проведение процесса разделения (рис. 2.11) [205, 206, полученныерезультаты опубликованы в соавторстве с Г.А. Носовым, Д.А. Поповым иВ.И. Бельской].Проведенные расчеты показали, что на рассматриваемый процессразделения сильное влияние оказывает также изменение температурынагрева смеси на стадии дистилляции tИ и состав исходной смеси xF.Температура нагрева смеси tИ имеет диапазон изменения от температурыкипения маточника tКМ до температуры полного испарения маточника tИМ. Какуже отмечалось выше, при повышении температуры tИ содержаниелегколетучегокомпонента (в нашем случае бензола) в дистилляте yПснижается (см.
рис. 2.6). Это приводит к увеличению выхода дистиллята П и,соответственно, к уменьшению выхода кристаллической фазы КВ.78450аQИ / F, кДж/кг4001234350300250200tЕtЛW1tЛW2tЛW3 tЛW4300бQКВ / F, кДж/кг2501234200150100-10tЕ10305070tФВ, СоРис. 2.9. Зависимость расхода тепла на стадии дистилляции (а) и количестваотводимого тепла на стадии кристаллизации (б) от температуры охлаждения tФВ(параметры разделения см. рис. 2.7).790,20а210,1834GП / F0,160,140,120,100,08tЛW1tЕtЛW2tЛW3 tЛW435бNД / F, кДж/кг21303425201510-10tЕ010203040506070tФВ, оСРис. 2.10.
Зависимость расхода промежуточного теплоносителя (а) и мощностикомпрессора теплового насоса (б) от температуры охлаждения tФВ (параметры разделениясм. рис. 2.7).800,014а0,0122134BН / F0,010,0080,0060,0040,0020tЕtЛW1tЛW2tЛW3 tЛW40,7б210,634nТ0,50,40,30,20,1-10tЕ010203040506070tФВ, СоРис. 2.11. Зависимость удельного (а) и относительного (б) расхода условноготоплива на проведение процесса разделения от температуры охлаждения tФВ (параметрыразделения см. рис. 2.7).Зависимость количества рециркулирующего кубового остатка W оттемпературы tИ показано на рис. 2.12,а. Из приведенных данных видно, что сростом данной температуры поток W снижается вплоть до нуля, когда на81стадии дистилляциипроисходит полное испарение маточника.
Приприближении же температуры tИ к температуре кипения маточника tКМ потокрециркулирующегокубовогоостаткаW→∞.Диапазонвозможногоизменения температуры tИ зависит от состава образующихся маточников xМВ,последние в свою очередь зависят от температуры tФВ охлаждения исходнойсмеси F и кубового остатка W на стадии кристаллизации КрВ. С повышениемтемпературы tФВ, как видно на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
