Энергосбережение в процессах ректификации бинарных и многокомпонентных смесей (1091408), страница 9

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 9)

Повышенные4.0,3.0,7значения Еp в этих случаях отражают факт получения более чистым одного изпродуктов.В общем случае несимметричного разделения x 2  x1  x1  x0  величинакритерия разделения Еp зависит (помимо концентраций х2 и х0 в конечныхпродуктах)отстепенисимметричностиразделенияη,характеризуемойконцентрацией х1. Удобно принятьх1  х00,5( х2  х0 )так чтобы при симметричном разделении (х2-х1=х1-х0=(х2-х0)/ 2) величина степенисимметричности η=1. При несимметричном разделении в случае x1  x0 величинаη→0, а при x1  x 2 величина η→2.В общем случае 0    2  с учётом (2.7) получено [36] выражение:При симметричном разделении (η=1) оно, естественно, совпадает сформулой (2.7).Зависимости критерия разделения Е от степени симметричности η дляразличных значений х0 и х2 представлены на рис.

2.2. Видно, что при большихразностях х2-х0 (рис. 2а, б) и степенях симметричности η, близких к единице(скажем, в пределах от 0,5 до 1,5), величина критерия разделения Е практическисовпадает с величиной х2-х0 (отличие не превышает 10 %). При значительнойнесимметричности разделения (η <0,5 или η >1,5) величина Еp меньше х2-х0 истремится к нулю при η → 0 или η → 2. При малых разностях х2-х0 величина Еpможет существенно превышать разность х2-х0 по указанным ранее причинам.552.2. Оценка затрат теплоты при разделении бинарной смеси методомректификацииЗатраты теплоты в кипятильнике ректификационной колонны Qк связаны сотводом теплоты в конденсаторе Qконд балансовым соотношением (рис.

2.3)Рис.2.3. К тепловому балансу колонныQк  Qконд  Пc2t2  L0c0t0  L1c1t1(2.8)где Qконд  Dr2  П ( R  1)r2Теплоты, подводимые и отводимые жидкостными потоками, примерноодинаковы [1, с.1037]:L1с1t1≈ Пc2t2 + Locoto.Тогда из равенства (2.8) получаем Qк≈Оконд. Физически это означает: именнофлегму, получаемую в конденсаторе, и надо испарять в кипятильнике; поэтомутеплоты (подводимые и отводимые) в этих аппаратах примерно равны.С допущением о равенстве Qк и Qконд можно считатьQк  П ( R  1)r2(2.9)Определим [38] затраты теплоты при режиме работы колонны сминимальным флегмовым числом Rmin. Как отмечается в [1, 4, 18, 35, 37],наиболее экономичные реальные режимы ректификации по своим параметрамблизки к режиму минимальной флегмы.

С другой стороны, режим минимальнойфлегмы (с постоянными по высоте колонны потоками пара и жидкости и56локальным подводом теплоты - в кубе колонны и отводом - в конденсаторе)наиболее близок к термодинамически обратимой ректификации [18].Считая разделяемую смесь идеальной, то есть подчиняющейся закону Рауля иимеющей равновесную зависимость вида:yp x1  x(  1)получим при минимальном флегмовом числе(2.10)Rmin x2  y1 py1 p  x1[1, 4, 35, 41]выражение для удельного расхода теплоты qкmin (на разделение 1 кмоля исходнойсмеси):qкminx x x xQк x1  x0  x2  y p1  1 r2  r2 1 0  p2 1 pL1 x2  x0  y 1  x1 x2  x0 y 1  x1(2.11)Коэффициент относительной летучести α компонентов смеси, входящий вуравнение (2.10), изменяется, как известно [1, 4, 35], от 1 (разделение в этомслучае невозможно) до ∞, когда второй компонент можно считать практическинелетучим по сравнению с низкокипящим.

Более удобной характеристикойразделяемости смеси является параметр, определяемый в виде [34, 36]:P  1 1(2.12)и изменяющийся в пределах от 0 (при α = 1) до 1 (при α =∞). Назовем егоразделяемостью смеси. Из (2.12) получаем: 1 P1 PПодставляя в (2.10) найденное выражение для α, имеем:yp (1  P ) x1  P  2 Px(2.13)С учётом (2.13) выражение (2.11) для qкmin преобразуется в (2.14):q minkQ min1 Р = k = E р r2  x1 2Р L1(2.14)Из выражения (2.14) отчетливо видна прямопропорциональная зависимостьудельных затрат теплотыq minkот критерия разделения Ер и теплоты57парообразования r2 верхнего продукта.

На величинуq minkтакже влияет состав x1 иразделяемость Р исходной смеси. Приведем выражение (2.14) к виду(2.15)q min1 Р k= r2  x1 Ep2Р  ,характеризующему минимальные удельные (на 1 кмоль исходной смеси) затратытеплоты, необходимые для полного разделения смеси.В частном случае, принимая концентрацию НКК в исходной смеси x1равной 0,5, получаем:(2.16)q minr1 1 Рk= r2 ( )= 2Ep22Р2Рто есть величина удельных затрат в этом случае обратно пропорциональнаразделяемости смеси Р.Результаты расчета [38] относительных удельных затрат теплоты, считая наполное разделение смеси, приведены в таблице 2.1.

Относительные удельныезатраты теплоты на разделение бинарной смеси – это безразмерные числа,показывающие относительное увеличение (уменьшение) затрат теплоты посравнению с теплотой испарения исходной смеси.Зависимостиотносительныхудельныхзатраттеплотыq minkEr2отразделяемости Р при некоторых составах исходной смеси представлены нарисунке 2.4.Для легкоразделяемых смесей (Р → 1) удельный расход теплоты можноопределить как:q minkE r2 x 1(2.17)Данное выражение удобно использовать для расчета удельных расходовтеплоты при выпаривании растворов солей. Разделяемость подобных бинарныхсмесей равна единице, что соответствует коэффициенту относительной летучестирастворителя к соли  = ∞.58qkminТаблица 2.1.

Значения относительных удельных затрат теплотыпри различныхE p r2значениях разделяемости Р и концентрации x1.х1P0 0.05 0.1 0.20.30.40.50.60.70.80.910.1 ∞9.64.6 2.1 1.267 0.850.60.4330.314 0.225 0.1560.10.2 ∞9.74.7 2.2 1.367 0.950.70.5330.414 0.325 0.2560.20.3 ∞9.84.8 2.3 1.467 1.050.8 0.6333 0.514 0.425 0.3560.30.4 ∞9.94.9 2.4 1.567 1.150.90.7330.614 0.525 0.4560.40.5 ∞1010.8330.714 0.625 0.5560.50.6 ∞ 10.1 5.1 2.6 1.767 1.351.10.9330.814 0.725 0.6560.60.7 ∞ 10.2 5.2 2.7 1.867 1.451.21.0330.914 0.825 0.7560.70.8 ∞ 10.3 5.3 2.8 1.967 1.551.31.1331.014 0.925 0.8560.80.9 ∞ 10.4 5.4 2.9 2.067 1.651.41.2331.114 1.025 0.9560.952.5 1.667 1.25В этом случае относительные затраты теплотыqkminE p r2численно точносовпадают со значением концентрации НКК в исходной смеси x1 и увеличиваютсяв 9 раз при изменении x1 от 0,1 до 0,9 кмоль НКК/кмоль смеси.При малых значениях P уменьшается вклад x1в конечный результат расчетапо (2.15) минимальных удельных затрат теплоты.

При Р < 0,1 (коэффициентотносительной летучести α < 1,2) величиной x1 можно пренебречь снесущественной погрешностью. Тогда выражение для минимальных удельныхзатрат теплоты примет такой же вид, как и в случае x1= 0,5:(2.18)q minrk= 2Ep2РПри маленьких разделяемостях смеси Р (0,05 – 0,1) затраты теплоты наразделение увеличиваются в несколько раз. Чем меньше разделяемость смеси Р,тем больше удельный расход теплотыq minkE p r2на единицу разделения при59ректификации.Рис 2.4. Зависимость относительных удельных затрат теплотыqkminот разделяемости PE p r2смеси при х1=0,1, х1=0,5, х1=0,9.Так, в случае x1 = 0,5 при разделяемости Р = 0,1 минимальные затраты наректификацию увеличиваются ровно в 10 раз по сравнению с затратами наразделение смеси с разделяемостью Р = 1 (относительная летучесть компонентов=∞).

Увеличение затрат теплоты на ректификацию при уменьшенииразделяемости смеси связано с увеличением минимального (и рабочего)флегмовых чисел и, соответственно, ростом потока флегмы, которую необходимоиспарять в кубе колонны.При небольших концентрациях x1 влияние разделяемости смеси P назатраты теплоты усиливается.

Так, при x1= 0,1 с уменьшением разделяемости Р от1 до 0,1 минимальные затраты увеличиваются в 46 раз. А при x1= 0,9 суменьшением разделяемости смеси Р от 1 до 0,1 затраты теплоты увеличиваютсяуже не так значительно (лишь в 6 раз).Практически одинаковые затраты на разделение смеси с изменением x1 от0,1 до 0,9 кмоль НКК/кмоль смеси при малых разделяемостях смесей P60объясняются большим внутренним энергосбережением процесса ректификации[38].При средней разделяемости смеси (0,4 ˂ Р ˂ 0,6), что соответствует смесибензол-толуол при атмосферном давлении, и концентрациях НКК в исходнойсмеси, близких к 0.5 кмоль НКК/кмоль смеси, относительные удельные затратысоизмеримы со скрытой теплотой парообразования смеси. Важно отметить, чтоэтих затрат теплоты в кипятильнике достаточно для разделения исходной смесина практически чистые компоненты. Для получения более чистых компонентовтребуется, естественно, большее число тарелок в колонне.

Чем больше числотарелок в колонне и флегмовое число, с которым работает колонна, тем большевнутреннее энергосбережение в процессе ректификации [39-43].Этим и объясняется факт, что для практически полного разделения смесичасто достаточно затрачивать в кипятильнике колонны лишь одну теплотупарообразования исходной смеси [38].2.3.

Теоретический анализ затрат теплоты на ректификацию при различныхсостояниях исходной бинарной смеси [44]Затраты теплоты на процесс ректификации, как известно [1, 4, 35, 37],зависят от флегмового числа. Рабочее флегмовое число R должно быть большеминимального R min , обеспечивающего заданное разделение при бесконечномчисле тарелок в колонне:R  σR min(2.19)где σ – коэффициент избытка флегмы; определяется на основании техникоэкономического расчета, учитывающего и затраты теплоты на процесс истоимость оборудования ректификационной колонны.61В случае подачи исходной смеси в колонну при температуре ее кипения,предусматривая оптимальный уровень подачи, минимальное флегмовое число R minрассчитывается по формуле [1] R min x 2  y1рy1р  x 1.При других состояниях исходной смеси («холодная», то есть недогретая дотемпературы кипения, в виде пара – насыщенного или перегретого, впарожидкостном состоянии) точка пересечения линии тарелки питания [1]y(2.20)xEx 1E -1E -1с равновесной линией перемещается по последней в зависимости от величины E,определяемой по формулам:– при питании колонны недогретой (при температуре t x ) до кипения ( t 1 ) исходнойсмесью теплоемкостью с и теплотой парообразования r:E 1c(t 1  t x )r– при парожидкостном питании ( Ψ - доля пара):(2.21)E 1 Ψ– при питании сухим насыщенным паром:E0– при питании перегретым ( t п  t 1 ) паром:E c п (t п  t 1 )0rРавновесная зависимость составов пара y и жидкости х для смесей,подчиняющихся закону Рауля, имеет видyp (1  P) x1  P  2Px(2.13)где Р –разделяемость смеси.В общем случае при подаче в колонну исходной смеси состава x 1концентрация x1i (абсцисса точек Х, К, ПЖ, П, ПП на рис.2.5) может быть найденапутем совместного решения уравнений (2.20) и (2.13):62x(1  Р)x1iE ix1  1 E -1E - 1 1  Р  2Px 1iПосле преобразований:( Ex 1i  x 1 )(1  Р  2Px 1i )  (1  Р)x 1i (E - 1)Ex 1i  x 1  РEx 1i  Рx 1  2PE(x 1i ) 2  2Px 1 x 1i  x 1i (E - 1)(1  Р)приходим к квадратному уравнению:2PE(x 1i ) 2  x 1i [1  Р  2Р(E  x 1 )]  x 1 ( Р  1)  0(2.22).Рис.

Характеристики

Список файлов диссертации