WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

ХАХИН ЛЕОНИД АЛЕКСЕЕВИЧ РАЗРАБОТКА ЭНТРОПИЙНОЙ ОЦЕНКИ РАБОТЫ РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОНН И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ 05.17.04 - Технология органических веществ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2009

Работа выполнена на кафедре химии и технологии основного органического синтеза государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Фролкова Алла Константиновна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кулов Николай Николаевич доктор химических наук, профессор Тойкка Александр Матвеевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Российский химикотехнологический университет им. Д.И.

Менделеева»

Защита состоится 17 ноября 2009 года в 1430 в аудитории М-119 на заседании диссертационного совета Д 212.120.02 при Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова по адресу: 119571, г.Москва, пр-т Вернадского, 86.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова по адресу 119571, г. Москва, пр-т Вернадского, 86.

Автореферат размещен на сайте МИТХТ им. М.В. Ломоносова www.mitht.ru октября 2009 года и разослан октября 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н. Е.А. Анохина 2

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Как известно, любое массовое производство органических веществ построено по принципу триады, состоящей из блоков подготовки сырья, химического превращения сырья и разделения многокомпонентной реакционной смеси. Основным процессом в блоке разделения является ректификация, на долю которой приходится до 70% энергоресурсов, используемых в производстве. В связи с этим особое значение придается вопросам создания энергосберегающих технологий и, в частности, разработке универсальных и удобных для использования критериев оценки эффективности отдельной ректификационной колонны, технологической схемы или функционального комплекса. Создание такого критерия должно охватывать как параметрическую, так и структурную оптимизацию и обеспечивать возможность его применения в проектных и поверочных задачах, использующих разные наборы независимых переменных. В качестве такого критерия может быть использовано производство энтропии, которым сопровождается любой процесс разделения или совокупность процессов.

Целью работы является разработка критерия, позволяющего оптимизировать уровень (или несколько уровней) подачи питания в ректификационную колонну непрерывного действия, а также сравнивать линейные технологические схемы и функциональные комплексы, используемые для разделения многокомпонентных смесей различной физико-химической природы.

Для достижения указанной цели необходимо решить ряд задач:

1) проанализировать подходы к определению степеней свободы различных химико-технологических объектов и выявить наборы переменных, определяющих решение проектной, проверочной, проектно-поверочной задач при расчете ректификации;

2) исследовать простейшие фазовые процессы как составляющие процесса ректификации и выявить их общие закономерности;

3) изучить различные аспекты, связанные с фазовым состоянием исходной смеси и уровнем подачи питания, которые могут выступать как оптимизационные параметры, определяющие энергоемкость процесса и схемы в целом;

4) предложить критерий и методику оценки эффективности химико - технологических объектов.

При выполнении диссертационной работы использованы фундаментальные положения термодинамики гетерогенных систем, балансовые уравнения процесса ректификации, вычислительный эксперимент, базирующийся на применении адекватных математических моделей и современных программных продуктов.

Научная новизна.

1. Показана инвариантность числа степеней свободы относительно всех типов задач расчета ректификации (проектного, поверочного, проектноповерочного). Для квалифицированного анализа химико-технологических объектов и постановки вычислительных экспериментов определена вариантность (малая; большая; вариантность, учитывающая конструкционные переменные) простейших фазовых процессов, различных элементов ректификационной колонны и колонны в целом, функциональных комплексов.

2. С применением координат конфигурационного пространства доказана идентичность нестационарных процессов открытого равновесного испарения (конденсации) и стационарного процесса ректификации. Выявлена полистационарность процессов, обусловленная фазовым равновесием (наличием разного числа аттракторов в структуре фазовой диаграммы).

3. Предложен новый универсальный критерий оценки термодинамической эффективности химико-технологических объектов – производство энтропии, позволяющий использовать методы параметрической и структурной оптимизации ректификационных колонн, технологических схем и комплексов. Показано, что оптимальному расположению уровня подачи питания в ректификационную колонну отвечает экстремальное значение критерия.

Практическая значимость.

1. Разработана методика определения оптимального расположения уровня подачи питания (одного или нескольких), которая проиллюстрирована на примере разделения конкретных бинарных и тройных смесей разной природы.

2. Предложенный критерий производства энтропии может быть рекомендован для сравнения различных вариантов технологических схем и функциональных комплексов, базирующихся на принципе перераспределения полей концентраций между областями ректификации.

3. Результаты диссертационной работы включены в курс лекций «Физикохимические основы процессов разделения», читаемый в рамках программ подготовки бакалавров и магистров по направлению 240100 «Химическая технология и биотехнология».

Работа выполнялась в рамках грантов РФФИ 05-03-32958а, 08-03-00976а и 07-08-00155а.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии» (Волгоград, 2008), на конференции молодых ученых МИТХТ им. М.В. Ломоносова (Москва, 2007 г.) Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа включает введение, глав, приложения, а также библиографию из 170 источников. Работа изложена на 227 стр., включая приложения, содержит 59 рисунков и 31 таблицу.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и задачи, приведены основные результаты.

В первой главе представлен краткий обзор основных работ, посвященных термодинамической оптимизации процесса ректификации, и определено место настоящей работы в общей проблеме оптимизации химико–технологических процессов. Детальный анализ публикаций по различным аспектам указанной проблемы приводится в каждой последующей главе.

Во второй главе рассмотрена вариантность (число степеней свободы) простейших фазовых процессов с различной организацией массовых и энергетических потоков, т.е. с различным числом входов и выходов. Такие системы являются частью сложных химико-технологических объектов. Для них уравнение большой вариантности ( ), включающее интенсивные, экстенсивные и конструкционные переменные, имеет вид:

, (1) где A - функция числа входящих массовых потоков; B - функция состояния потоков; n - число компонентов в системе.

Рассмотрены вариантности различных элементов ректификационной колонны: равновесных ступеней с потерей тепла в окружающую среду, с вводом материального потока, с выводом третьего равновесного потока; полного конденсатора, парциального равновесного конденсатора (испарителя); разделителя жидкого потока, разделителя фаз.

Для сложного химико-технологического объекта:

, (2) где N – число повторяющихся конструкционных элементов (ступеней разделения).

В частности, для колонн обычной ректификации A=1, B=10; экстрактивной ректификации, ; гетероазеотропной ректификации A=1, B=9.

Доказано, что число независимых переменных инвариантно относительно типа задачи, т.е. число степеней свободы одно и то же для проектного, поверочного и проектно-поверочного вариантов. Систематизированы в виде таблицы различные установки разделения и рекомендованы наборы независимых переменных для случая решения поверочной задачи.

В третьей главе исследованы нестационарные простейшие фазовые процессы (равновесного открытого испарения и конденсации) и показана возможность их использования для анализа производства энтропии и множественности стационарных состояний в процессе ректификации, обусловленной структурой фазовых портретов многокомпонентных смесей (на примере тройных систем).

Получены данные по изменению температуры в реальных процессах дистилляции и конденсации, а также их идеализированных аналогов. Установлено, что в дистилляции также, как и в открытом равновесном испарении, температура непрерывно возрастает, а в конденсации и идеализированном аналоге этого процесса она непрерывно уменьшается. Установлено, что правила Шрайнемакерса применимы для реальных процессов периодической дистилляции и конденсации.

Проведен анализ диаграмм-антиподов относительно процессов дистилляции и конденсации.

Исследовано производство энтропии в системе равновесное испарениеполная конденсация. Установлено, что даже если принять с учетом дифференциального характера обратимость обоих процессов (а они действительно обратимы в особых точках, которым соответствуют азеотропы и чистые компоненты), то при их сочетании в зеотропных областях производится энтропия, что обусловлено различием температур равновесного испарения и полной конденсации образующегося пара. Таким образом, обратимость простейших процессов при их сочетании не гарантирует обратимости сложного процесса при конечной разности температур в составляющих процессах. Это качественно согласуется с данными М.

Бенедикта.

В этой же главе рассмотрены вопросы множественности стационарных состояний, обусловленной нелинейностью фазового равновесия жидкость-пар.

При использовании аналога конфигурационного пространства, когда по высоте колонны на каждом уровне концентрация любого компонента имеет двойной индекс (компонента и ступени разделения), наблюдается полная аналогия процессов дистилляции и ректификации при бесконечном флегмовом числе. Это объясняется тем, что стационарный режим ректификации в пространстве конфигураций характеризуется точкой (траектория ректификации «схлопывается» в точку). Выявлены группы структур фазовых диаграмм из 49 термодинамически возможных (с антиподами), характеризующихся разным числом аттракторов (один, два или три) и соответственно разным числом стационарных состояний. Данные результаты являются принципиальными при расчете ректификации смеси заданного состава в поверочном варианте, а именно: при выборе начальных приближений для расчета.

Важными оптимизационными параметрами, определяющими энергоемкость режимов ректификации, являются фазовое состояние (энтальпия) и температура исходной смеси, подаваемой в колонну на конкретный уровень (тарелку питания).

Четвертая глава посвящена изучению взаимосвязи этих параметров с тепловыми нагрузками на куб и конденсатор, с положением тарелки питания (на примере ректификации бинарных смесей).

Энтальпия исходной бинарной смеси определяет долю отгона е и величину q, связанную с точкой пересечения рабочих линий на диаграмме y-x:

; ;. (3) В таблице 1 приведены значения e и q для различных состояний бинарной смеси.

Таблица 1.

Влияние энтальпии исходной бинарной смеси на значения величин e и q Состояние Соотношение Температура № q e исходной смеси энтальпий смеси Недогретая до тем1 >1 <пературы кипения 2 Кипящая жидкость 1 Парожидкостная 3 1>q>0 0Анализ опубликованных данных показывает, что подача смеси в виде недогретой жидкости (в виде насыщенного или перегретого пара) приводит к значительному возрастанию флегмы в исчерпывающей (укрепляющей) части колонны.

В первом случае увеличивается нагрузка на кипятильник, во - втором на конденсатор. С целью поиска наиболее рационального энергетического состояния питания нами изучены закономерности ректификации бинарной смеси в режиме проектной и поверочной задачи.

Для различных состояний исходной смеси метанол(1)-этанол(2) эквимолярного состава рассчитаны минимальное флегмовое (Rmin) и минимальное паровое ( ) числа в предельном режиме ректификации :

;

На рис. 1 представлены зависимости указанных чисел от состава на тарелке питания. Аналогичные графики справедливы при закрепленном составе исходной смеси и варьировании ее температуры.

Рис. 1.

и как функции концентрации на тарелке питания.

Из рис.1 видно, что минимальные флегмовое и паровое числа меняются разнонаправлено. С увеличением концентрации легколетучего компонента (метанола) на тарелке питания минимальное флегмовое число уменьшается, но растет минимальное паровое число, что также приводит к увеличению энергозатрат.

Следовательно, ориентироваться только на величину при оценке энергозатрат (как это принято в литературе) не совсем корректно. Только в точке пересечения приведенных зависимостей обе величины могут равноправно выступать критериями энергоемкости процесса. А это наблюдается при приближении состава на тарелке питания к составу исходной смеси, подаваемой при температуре ее кипения.

Нами проведено исследование различных режимов ректификации смеси метанол-этанол эквимолярного состава и в поверочной задаче. В расчетном эксперименте при флегмовом числе, общей эффективности колонны 10 теоретических тарелок и соотношении количеств продуктовых потоков W/D=1 варьировались температура исходной смеси (в диапазоне от 5 до 700С) и уровень ее подачи. В сериях расчетных экспериментов определялись оптимальные тарелки питания, для которых и проводилось сравнение режимов разделения. Полученные результаты приведены в таблице 2.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»