Разработка энергосберегающей схемы разделения трехкомпонентной азеотропной смеси бензолциклогексан-гексан (стр. 11 из 13)
При трансформации схемы П5 (рис.17 г) также получены три типа новых структур V5.1, V5.2, F5.1. Поскольку в результате процедуры стягивания в схеме П5 по первому по ходу разделения ориентированному ребру образуются комплексы с частично связанными тепловыми и материальными потоками, имеющие по два кипятильника и один дефлегматор, то разделение компонента С и экстрактивного агента S с заданной чистотой становится проблематичным. Такая трансформация лежит в основе синтеза схем V5.1 и F5.1, следовательно они не работоспособны. Таким образом, единственной работоспособной схемой-образом П5 с частично связанными тепловыми и материальными потоками является V5.2. В ней на первом этапе в простой двухсекционной колонне отделяется обычной ректификацией компонент С, а разделение пары АВ производится экстрактивной ректификацией в сложной колонне с боковой укрепляющей секцией, которая служит для выделения компонента В и расположена ниже зоны питания. [34]
5. Расчетно - экспериментальная часть
5.1. Физико – химические свойства индивидуальных компонентов.
Данные о физико – химических свойствах бензола, циклогексана, гексан и сульфолан взяты из базы данных программы PRO/II фирмы SIMSCI.
Таблица 4.4.
| Наименование вещества | Молекулярная масса; г/моль | Относительная плотность; кг/м3 | tкип;0С |
| бензол | 78,1150 | 883,92 | 80,1 |
| гексан | |||
| циклогексан | 84,163 | 782,65 | 80,74 |
| сульфолан |
5.2. Моделирование паро-жидкостного равновесия
На первом этапе исследований перед нами стоит задача выбора модели, адекватно описывающей ПЖР в четырехкомпонентной смеси бензол – толуол – циклогексан – ДМФА. Для проведения оценки адекватности нами были собраны имеющиеся в литературе данные о фазовом равновесии для бинарных составляющих смеси [44-46]:
бензол – ЦГ
гексан - ЦГ
бензол – гексан
бензол – ДМФА
(для систем толуол – ДМФА и циклогексан – ДМФА экспериментальных данных нет).
Также для всех 6 групп бинарных систем были получены псевдоэкспериментальные данные при помощи групповой модели UNIFAC.
На основании общих рекомедаций были выбраны две группы математических моделей, основанных на различных представлениях о структуре раствора и межмолекулярных взаимодействий:
· Модели локальных составов (Wilson, NRTL, UNIQUAC)
· Уравнения состояния (SRK, Peng - Robinson)
Для статистической обработки результатов в качестве критерия, оценивающего адекватность описания ПЖР, выбрана средняя относительная погрешность описания экспериментальных данных различными моделями δ:
, N – количество точек фазового равновесия. 5.1.Результаты статистической обработки имеющихся псевдоэкспериментальных данных представлены в таблицах 2 и 3:
Таблица 2
Средняя относительная погрешность описания экспериментальных данных различными моделями
| бинарная пара | δ | |||||
| NRTL | UNIQUAC | Wilson | SRK | PR | UNIFAC | |
| бензол - ЦГ | 0,0300 | 0,0283 | 0,0237 | 0,0482 | 0,0644 | 0,0315 |
| ЦГ - толуол | 0,0499 | 0,0489 | 0,0516 | 0,1907 | 0,1333 | 0,0220 |
| бензол - толуол | 0,1041 | 0,0689 | 0,0977 | 0.0467 | 0,0658 | 0,0160 |
| бензол - ДМФА | 0,2443 | 0,1987 | 0,2147 | 0,2363 | 0,2180 | 0,0500 |
Таблица 3. Средняя относительная погрешность описания псевдоэкспериментальных данных, полученных при помощи групповой модели UNIFAC, различными моделями
| бинарная пара | δ | ||||
| NRTL | UNIQUAC | Wilson | SRK | PR | |
| бензол - ЦГ | 0,1019 | 1,11∙10-5 | 5,32∙10-3 | 0,0343 | 0,0714 |
| бензол - толуол | 8,79∙10-3 | 5,24∙10-5 | 4,48∙10-3 | 0,0152 | 0,0576 |
| бензол - ДМФА | 0,011 | 9,34∙10-5 | 0,0551 | 0,1237 | 0,1041 |
| толуол - ДМФА | 0,0741 | 0,0634 | 0,0803 | 0,0486 | 0,0672 |
| толуол - ЦГ | 0,0496 | 0,0561 | 0,0572 | 0,0441 | 0,0876 |
| ЦГ – ДМФА* | - | - | - | - | - |
*- из-за высокой неидеальности системы ЦГ-ДМФА оценить адекватность модели при помощи δ невозможно.
Как можно заметить из приведенных выше результатов все выбранные модели удовлетворяют условиям адекватности, однако нам необходима такая модель, которая будет способна описать сложный фазовый портрет в системе ЦГ-ДМФА. Поэтому казалось бы целесообразным применить для расчета групповую модель UNIFAC, которая удовлетворительно описывает экспериментальные данные и хорошо согласуется с данными, полученными по другим моделям (табл. 3).
Однако, поскольку в системе может реализоваться сосуществование двух жидких фаз, то этот вопрос также требует обсуждения и оценки применимости той или иной модели.
Исходя из литературных данных, система характеризуется сильным отклонением от идеальности обусловленным наличием азеотропа и расслаивания. Согласно информации, полученной нами из банка данных по физико-химическим свойствам компонентов и их смесей «RSA DB» Решетова С. А. при атмосферном давлении вторая жидкая фаза присутствует в интервале температур от 20 до 53 ºС.
5.3. Критерий оптимизации.
В качестве критерия при подборе оптимальных рабочих параметров колонн мы использовали минимум суммарных энергетических затрат в кипятильниках колонн:
где: N- число колонн в технологической схеме.
Энергетические затраты в кубе каждой колонны рассчитываются исходя из общего теплового баланса.
Для колонны экстрактивной ректификации уравнение теплового баланса имеет вид:
(5.2)где:
- количество тепла, поступающее с потоком исходной смеси; 
- количество тепла, поступающее в колонну с потоком экстрактивного агента; 
- количество тепла, отводимое из колонны с потоком дистиллята; 
- количество тепла, отводимое из колонны с кубовым потоком; 
- количество тепла, отводимое при конденсации потоков дистиллята и флегмы;Откуда затраты тепла в кипятильнике:
(5.3)или
(5.4)При заданном количестве и составе питания, а также заданном качестве продукта, поток дистиллята определяется из общего материального баланса колонны и является фиксированной величиной. Следовательно, теплосодержание верхнего продукта QD есть величина практически постоянная. Величина кубового потока также определяется из материального баланса и зависит от соотношения исходная смесь : ЭА. Следовательно, теплосодержание нижнего продукта QW зависит от расхода разделяющего агента.
При проведении расчетов мы полагали, что исходная смесь поступает в колонну при температуре кипения.
Таким образом, величина энергетических затрат в кубе экстрактивной колонны в данном случае зависит в основном от флегмового числа, температуры и расхода подаваемого в колонну экстрактивного агента.
Как известно, флегмовое число в колонне заданной эффективности определяется, с одной стороны, природой разделяемой смеси, а с другой, положением тарелки питания, поскольку в зависимости от точки подачи исходной смеси в колонне формируется определенный профиль концентраций компонентов (траектория ректификации).
В колонне экстрактивной ректификации на формирование профиля оказывает существенное влияние и уровень ввода экстрактивного агента.
Температура подачи в колонну экстрактивного агента оказывает неоднозначное влияние на величину энергозатрат. С одной стороны, как видно из уравнения (4.3), чем выше температура экстрактивного агента, тем меньше на первый взгляд Qкип. Однако, поскольку экстрактивный агент подают в верхнее сечение колонны при этом увеличивается его концентрация на верхних тарелках, и для получения дистиллята заданного качества потребуются более высокие значения флегмового числа, что, в свою очередь, приводит к росту Qкип.
Для колонны регенерации ацетонитрила уравнение теплового баланса имеет вид:
(5.5)