Диссертация (1091053), страница 3
Текст из файла (страница 3)
На стадиидистилляции Д смесь маточников МΣ нагревается до температуры кипения tИ,в результате чего происходит ее частичное испарение с образованиемпарожидкостной смеси П+W, которая разделяется на стадии сепарации С напаровую фазу П и жидкую фазу W. Кубовый остаток W направляется настадию кристаллизации КрВ. Дистиллят П после конденсации направляетсянастадиюкристаллизацииКрА,гдеохлаждаетсядотемпературыкристаллизации tФА, в результате чего получается кристаллическая суспензияКА+МА, разделяемая на кристаллы КА и маточник МА. Кристаллы КА,содержащие практически чистый компонент А, отбираются в качествевторого целевого продукта, а маточник МА, с концентрацией xМА компонентаА, объединяется с маточником МВ и подается на стадию дистилляции.Кроме описанных выше процессов разделения возможны и другиеварианты проведения [15, 17].
Например, в варианте с использованием двухстадий кристаллизации исходная смесь F может подаваться на стадиюдистилляции Д или на стадию кристаллизации КрА. Выбор возможных18вариантовразделениядлярассматриваемогосопряженногопроцессаразделения зависит от состава исходной смеси (xF>xЕ или xF<xЕ), видадиаграмм равновесия жидкость-пар (Ж-П) и жидкость-кристаллическая фаза(Ж-Т), положения эвтектической точки на диаграмме Ж-Т, относительнойлетучести разделяемых компонентов, а также от требований к качеству(составу) продуктов разделения.бtkBаКАПWtиxKАtkAMА, xMАКрАПyПП+WF, xFxWyПBAx, yСDMВ, xMВWFxwxFКрВMΣWMВtBПtAMAКВxKВtФB KBBKA tФАxEAРис.
1.2. Принципиальная схема разделения бинарной эвтектикообразующей смесипутем сочетания однократной дистилляции и двух стадий фракционной кристаллизации(а) и его изображение на диаграммах равновесия фаз (б).В работах [15-17] был выполнен теоретический анализ влиянияразличных технологических параметров на эффективность рассматриваемогосопряженного разделения. При этом для упрощения анализа процесса19разделения было принято, что на стадиях кристаллизации и дистилляциидостигается полное равновесие фаз, а на стадиях сепарации имеет местополное отделение фаз друг от друга.
Оценку эффективности рассмотренныхвариантов производили с использованием удельных энергетических затрат напроведение процесса, которые рассматривали, используя зависимостьЭΣ=ЭИ + ЭКА + ЭКВ + ЭН + ЭО + ЭТ,(1.1)где ЭИ – энергетические затраты стадии дистилляции; ЭКА, ЭКВ –энергетические затраты стадий кристаллизации КрА и КрВ; ЭН, ЭО – затратыэнергии, связанные с нагревом и охлаждением потоков перед их подачей насоответствующиестадииразделения;ЭТ–затратыэнергиинатранспортировку потоков.Было установлено, что энергетические затраты на разделение зависятот состава исходной смеси, продуктов разделения и состава промежуточныхпотоков, их теплофизических свойств, режимов проведения отдельныхстадий и других параметров.
Частично снизить эти затраты можно, организуярекуперативныйтеплообменмеждурециркулирующимипотокамиматочников, паровой и жидкой фазами.Разделениебинарныхэвтектикообразующихсмесейможноосуществлять с использованием сочетания фракционной кристаллизации ипериодической дистилляции [3, 17]. Одна из схем такого разделенияпредставлена на рис. 1.3. Исходная смесь F с концентрацией xFпервоначально загружается в перегонный куб (испаритель) И, где онанагревается до температуры кипения.
Образующиеся пары П, обогащенныенизкокипящим компонентом А, поступают в конденсатор КО. Образующийсяконденсат далее поступает в кристаллизатор КрА, где при его охлаждении дотемпературы tФА происходит процесс кристаллизации. Получающаяся приэтом суспензия подается на сепарацию С. Отделенная кристаллическая фазаКА, представляющая собой практически чистый компонент А, отбирается вкачестве одного из продуктов разделения, а маточник МА возвращается вперегонный куб. В процессе такого разделения в результате отбора паровой20W, xWtкВПKAKAQнGxИKAKAKAПKAKAКрАGxW,xWtкАМA, xMAF, xFF, xFKAKА + M АKАMАtАtВФКАtфААKAВхЕАРис.
1.3. Схема разделения бинарной эвтектикообразующей смеси путем сочетанияпроцессов периодической дистилляции и фракционной кристаллизации (а), а также ееизображение на диаграммах равновесия фаз (б).фазы, обогащенной компонентом А, его содержание в кипящей жидкой смесиW постепенно понижается. При этом, соответственно, снижается егосодержание и в образующейся паровой фазе П, а, следовательно, и вконденсате, поступающем на стадию кристаллизации. Такое разделениепродолжают до тех пор, пока в кубовом остатке W не будет достигнутазаданная концентрация xW. В результате такого разделения один из продуктовразделения получается в виде кристаллов, а другой в виде кубового остаткана стадии дистилляции. Достоинством такого разделения является то, что вданном случае нет промежуточных паровых фракций.
Мы получаем двапродукта, обогащенных разными компонентами.21Сочетание процессов ректификации и фракционной кристаллизацииДанный вариант сочетания массообменных процессов являетсянаиболееразработанным[1-5,17-26].Многочисленностьвариантовсочетания ректификации и фракционной кристаллизации можно объяснитьбольшим разнообразием фазовых диаграмм «жидкость-пар» и «жидкостькристаллическая фаза».На рис. 1.4,а представлен один из вариантов рассматриваемогосочетанияприменительно к разделению смеси, имеющей эвтектическуюточку на диаграмме равновесия «жидкость-кристаллическая фаза» [1-5].
Какуказывалось выше, наличие точки эвтектики не дает возможности разделитьданную смесь на чистые компоненты методом фракционной кристаллизации.Использованиеректификационнойколоннывместесдвумякристаллизаторами в свою очередь позволяет обойти эвтектическую точку иполучить компоненты А и В практически в чистом виде.При использовании данного варианта разделения исходная смесь F,содержащаяxFкомпонентаА,первоначальноподаетсянастадиюкристаллизации КрА, где она охлаждается до температуры кристаллизацииtФА=tЕ. При этом получается кристаллическая суспензия КА+МА, котораяразделяется на кристаллы КА и маточник МА.
Кристаллы КА, содержащиепрактически чистый компонент А, отбираются в качестве первого целевогопродукта. Маточник МА с концентрацией xМА=xЕ объединяется с маточникомМВ со стадии кристаллизации КрВ и поступает на стадию ректификации. Врезультате получается дистиллят П состава xП > xЕ, который направляется настадию кристаллизации КрА, и кубовый остаток W, состава xW < xЕ. Последнийподается на стадию кристаллизации КрВ, где охлаждается до температуры tФВ= tЕ. В результате получается кристаллическая суспензия КВ+МВ, котораяразделяется на кристаллы КВ, обогащенные компонентом В, и маточник МВ сконцентрацией xМВ=xЕ. Кристаллы КВ отбираются в качестве второго целевогопродукта, а маточник МВ объединяется с маточником МА со стадиикристаллизации КрА и возвращается в ректификационную колонну.22Рис. 1.4. Некоторые варианты разделения бинарных смесей путем сочетанияпроцессов ректификации и фракционной кристаллизации [2].Кроме описанного, возможны еще более десяти вариантов схемразделения рассматриваемой смеси [4, 23, 24] – с подачей исходной смесипервоначальнолибонастадиюкристаллизации,либонастадиюректификации.
Возможны варианты, когда один из компонентов смесиполучают ректификацией, а другой – кристаллизацией.Представляется перспективным применение сочетания процессовкристаллизации и ректификации при разделении смесей, обладающихограниченной взаимной растворимостью компонентов в твердом состоянии.23Одинизвариантовсочетанияректификацииспротивоточнойкристаллизацией показан на рис.
1.4,б. Здесь ректификацию используютлишь для перехода через эвтектическую точку; выделение же целевыхпродуктов осуществляется кристаллизацией.Сочетание фракционной кристаллизации и ректификации успешноможет быть использовано также для разделения смесей, образующих втвердом состоянии молекулярные соединения (рис. 1.4,в) [22, 24].Особый интерес представляет сочетание процессов кристаллизации иректификации для разделения азеотропных смесей. Как известно, разделитьтакие смеси с помощью одной лишь ректификации (без специальныхприемов) на практически чистые компоненты невозможно.
При сочетании жеректификацииикристаллизациипроцессразделениятакихсмесейпрактически всегда осуществим [2, 26, 27].На рис. 1.4,г представлен один из вариантов схемы разделениябинарной азеотропной смеси, образующей при кристаллизации непрерывныйряд твердых растворов. В данном варианте кристаллизацию используютоднократно в основном для перехода через азеотропную точку, окончательноже смесь разделяют ректификацией. На рис. 1.4,д разделение той же смесиосуществляют сочетанием ректификации с противоточной кристаллизацией.В рассматриваемом случае можно использовать и другие вариантыразделения, например, получение одного компонента кристаллизацией, авторого – ректификацией.
На рис. 1.14,е показан один из возможныхвариантов разделения азеотропной смеси, имеющей эвтектическую точку надиаграмме фазового равновесия жидкость-кристаллическая фаза. Сочетаниепроцессов кристаллизации и ректификации позволяет также успешноразделять гетероазеотропные смеси [27].Затраты энергии при проведении разделения смесей путем сочетаниярассматриваемых массообменных процессов в общем случае можнопредставить в виде уравнения [17, 24]ЭΣ=ЭР + ЭКА + ЭКВ + ЭН + ЭО + ЭТ,24(1.2)где ЭР, ЭКА, ЭКВ – энергетические затраты стадий ректификации икристаллизации; ЭН, ЭО – затраты энергии, связанные с нагревом иохлаждением потоков; ЭТ – затраты энергии на транспортирование потоков.Указанные выше затраты, так же как и в остальных сопряженныхпроцессах разделения, могут быть установлены при рассмотрении уравненийматериальных и тепловых балансов всех основных стадий разделения.Уравнение (1.2) можно использовать для анализа влияния различныхфакторов и параметров разделения на суммарные затраты энергии ЭΣ.Прииспользованииразделения,такжерассматриваемыхкакдлявариантовсопряженногосопряженногокристаллизационно-дистилляционного разделения, приведенные и энергетические затраты могутбытьсущественнотеплообменамеждусниженыпривходящими,осуществленииотводимымиирекуперативногорециркулирующимипотоками [17, 24, 26].Сочетание процессов ректификации и кристаллизации рассматриваетсяв ряде работ применительно к промышленному разделению изомеровксилола [11-13, 28], получению антрацена высокой чистоты [29], разделениюизомеров нитрохлорбензола [10], выделению и очистке бензола [13, 30, 31],дурола [13], нитротолуолов [8], выделения парадихлорбензола из смесиполихлоридов [33] и др.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
