Диссертация (1091053), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Основные особенности сопряженных процессовК сопряженным относятся такие процессы разделения, которые состоятиз отдельных стадий, соединенных между собой прямыми и обратнымипотоками [1-3]. При непрерывном разделении отдельные стадии такихпроцессов обычно осуществляются одновременно в различных аппаратах.Наличие рециркулирующих потоков часто существенно затрудняет расчеттаких процессов, так как режимы последующих стадий обычно сильновлияют на ход предшествующих стадий.Сопряженные процессы обычно характеризуются большим числомвозможных схем разделения, что связано с большим разнообразиемдиаграмм равновесия фаз и огромным числом возможных комбинацийразличных процессов, а также возможностью применения различныхвариантов для разделения одних и тех же смесей [1-4].Приразработкеконкретноговариантасопряженногопроцессаразделения возникает ряд характерных задач [1-3]:1.
Определениевозможныхвариантовразделенияданнойсмесииразработка технологических схем для их реализации.2. Определение факторов, ограничивающих использования тех или иныхвариантов разделения.3. Выборкритериевоценкиэффективностивозможныхвариантовразделения.4. Анализ выбранных вариантов разделения, включая анализ влиянияразличных технологических параметров и физико-химических свойствкомпонентов разделяемых смесей на эффективность разделения, а такжетехнико-экономические особенностей проведения процесса разделения.125. Установление оптимальных вариантов и параметров разделения длязаданного состава исходной смеси и ее параметров и выбор необходимоговарианта разделения.6.
Подбор необходимого оборудования.Синтез возможных вариантов разделения в значительной мерезависит от состава разделяемой смеси и от ее физико-химических свойств [13]. В частности, от характера и структуры диаграмм равновесия фазкомпонентов разделяемой смеси. При этом для разделения рассматриваемойсмеси может быть использован один из массообменных процессов или жеразличные их комбинации. В технологической схеме необходимо учитыватьвсе подводимые и отводимые материальные и тепловые потоки.Дляпроведенияанализаустановленныхвариантовразделениянеобходимого установить критерии оценки эффективности данныхвариантов.
В качестве подобных критериев могут выступать различныетехнологические и экономические параметры. Чаще всего для оценкиэффективности используются следующие параметры [1-6]:–предельно достигаемые концентрации продуктов разделения;–коэффициенты (степень) извлечения компонентов из исходной смеси;–приведенные затраты на единицу массы разделяемой смеси илиполучаемых продуктов;–удельные энергетические затраты;–эксергетические и другие критерии оценки эффективности.К сожалению, перечисленные критерии не являются универсальными иимеют свои недостатки [3]. Например, предельные концентрации продуктовразделения позволяют оценивать их качество, но они не позволяют судить отом, какой ценой это достигается.
Поэтому в настоящее время для оценкиэффективности процессов разделения чаще всего используют приведенныеили же удельные энергетические затраты. При этом устанавливаютсядополнительные требования к качеству (составу) получаемых продуктовразделения.13В качестве одного из критериев оценки эффективности сопряженныхпроцессов разделения можно также использовать удельные затратыусловного топлива, затрачиваемого на единицу массы получаемых продуктовразделения [6]. При необходимости эти затраты могут быть пересчитаны дляразличных видов используемых энергоносителей.Важным аспектом оценки сопряженных процессов является анализвлияния технологических параметров (состава исходных смесей, ихтемпературы, давления, соотношения смешиваемых потоков, флегмовыхчисел и др.) на эффективность разделения [1-3].
Этот анализ позволяетустановить основные закономерности процессов разделения, выявитьдоминирующие факторы, влияющие на их ход, и установить предельныевозможности используемых массообменных процессов применительно кконкретным разделяемых смесям.Перечисленные выше технологические параметры можно условноразделить на внешние и внутренние. К внешним параметрам, прежде всего,относятся параметры исходных смесей, поступающих на разделение,параметры вспомогательных веществ.
Внутренние параметры характерныдля отдельных стадий сопряженного процесса, определяя ход процесса нарассматриваемой стадии и его показатели. Переходными же являютсяпараметры потоков, рециркулирующих между стадиями (температурыпотоков, из концентрации и расходы и т.д.).Выбороптимальноговариантаразделениярассматриваемыхсопряженных процессов обычно производится следующим способом [1-3]:1. Первоначально в результате анализа диаграмм равновесия фаз ифизико-химическихсвойстввыявляютсявсевозможныевариантыразделения рассматриваемого сопряженного процесса (осуществляетсясинтез возможных принципиальных схем разделения).2.
Далее, учитывая заданные параметры разделения (состав исходнойсмеси, ее агрегатное состояние, а также составы продуктов разделения), изчиславозможныхвариантоввыявляются14те,которыемогутбытьиспользованы в данном конкретном случае (производится селекциявариантов разделения).3.Затемустанавливаютсяпроизводитсяфункциональныевыборкритериевзависимостиоптимизацииикритериевотэтихвнутренних и внешних параметров разделения.4.
Используя стандартные методики, устанавливаются оптимальныепараметры для каждого из возможных вариантов разделения.5. Сравнивая оптимальные показатели рассматриваемых вариантов,окончательно устанавливается оптимальный вариант разделения и егопараметры для заданных условий.Здесь следует отметить, что изменение исходных данных и требованийк продуктам разделения часто оказывает сильное влияние на выбороптимального варианта разделения и параметры его проведения [4].Процедура установления оптимальных параметров разделения может бытьвыполнена с использованием соответствующих расчетных программ.Расчеты и подбор необходимого оборудования осуществляется нафинальной стадии при проектировании конкретного производства.Следует отметить, что, хотя различные сопряженные процессыразделения довольно часто использовались в химической и других отрасляхпромышленности, на них долгое время никто не обращал особого внимания[7-14].
В 1967г. в Германии Класеном была опубликована одна из первыхстатей [4], посвященная анализу разделения смесей путем сочетанияпроцессов ректификации и фракционной кристаллизации. В этой статье былиподчеркнуты специфика и достоинства такого разделения.1.2. Использование сопряженных массообменных процессов дляразделения и очистки веществКак уже отмечалось выше, для разделения и очистки веществ отпримесей может быть использовано довольно значительное количестворазличных вариантов сопряженных массообменных процессов. Это, с одной15стороны, связано с возможностью использования для разделения различныхмассообменных процессов, а с другой стороны, с большим разнообразиемдиаграмм равновесия фаз, составов разделяемых смесей, их физикохимическими свойствами, требованиями к конечным продуктам разделения ит.д.
Рассмотрим некоторые из них.Сочетание процессов дистилляции и фракционной кристаллизацииКак известно [3], дистилляция может быть проведена в видеодностадийногоимногостадийногопроцессов,атакжеввидепоследовательной отгонки паровой фазы. Фракционную кристаллизациютакже можно осуществлять в виде однократного, многостадийного ипротивоточного процессов [1, 2]. При этом возможны различные вариантысочетания данных массообменных процессов в единой технологическойсхеме и различные варианты подачи разделяемой смеси.При использовании однократной дистилляции, как правило, не удаетсяполучить достаточно чистые продукты разделения [3].
Данный процессобычно используется для предварительного разделения. Однократнаяфракционная кристаллизация в лучшем случае позволяет получить в чистомвиде лишь один из продуктов разделения [1-3]. Сочетание же отмеченныхвыше процессов при разделении бинарных смесей часто позволяет получитьоба компонента разделяемой смеси в достаточно чистом виде [15-20].При разделении бинарных смесей путем сочетания однократнойдистилляции и фракционной кристаллизации, как и при реализации другихсопряженных процессов разделения, можно использовать целый рядвариантов разделения [15-17]. На рис.
1.1,а приведена принципиальная схемаодного из вариантов такого разделения бинарной эвтектикообразующейсмеси, а его изображение на диаграммах равновесия фаз показано на рис.1.1,б. При проведении такого разделения исходная смесь F с концентрациейлегколетучего компонента xF первоначально подается на стадию дистилляцииД, где нагревается до температуры tИ. Получаемая при этом парожидкостнаясмесь П+W направляется на стадию сепарации, где разделяется на дистиллят16П с концентрацией yП и кубовый остаток W с концентрацией xW. Паровая фазабtkBПtиаКАxKАMА, xMАWxWFxFКрАBtkAAx, yП+WF, xFDСПyПWxwtAMВxMBtBBKB, xKB tфАxEAРис.
1.1. Принципиальная схема разделения бинарной эвтектикообразующей смесипутем сочетания процессов однократной дистилляции и кристаллизации (а) и ееизображение на диаграммах равновесия фаз (б).П направляется на стадию кристаллизации, а жидкая фаза W, обогащеннаякомпонентом В, отбирается в качестве одного из продуктов разделения. ПарыП после их конденсации подаются на стадию кристаллизации Кр А, где ониохлаждаются до температуры кристаллизации tФА. В результате этогополучается кристаллическая фаза КА, представляющая чистый компонент А, иматочник МА состава xМА. Кристаллическая фракция КА отбирается в качестведругого продукта разделения, а маточник МА возвращается на стадиюдистилляции Д.17Заметим, что в данном варианте разделения внутренними параметрамина стадии дистилляции являются температура нагрева смеси tИ и давление pИ,при котором производится стадия дистилляции.
На стадиях кристаллизациивнутренним параметром являются температура tФА. Внешними (переходными)параметрами здесь являются концентрации xF, xW, yП, xМА и температурысоответствующих потоков.В варианте разделения, представленном на рис. 1.2, исходная смесь F,концентрация которой xF ниже эвтектической концентрации xЕ, подается настадиюкристаллизацииКрВ,гдеохлаждаетсядотемпературыкристаллизации tФВ. В результате образуется кристаллическая суспензияМВ+КВ, которая разделяется на кристаллы КВ и маточник МВ. Кристаллы КВ,содержащие практически чистый компонент В, отбираются в качестве одногоиз целевых продуктов, а маточник МА с концентрацией xМВ объединяется сматочником МА, поступающим со стадии кристаллизации КрА. Полученнаясмесь маточников МΣ направляется на стадию дистилляции.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
