WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Из таблицы 2 видно, что с уменьшением температуры исходной смеси (и величины е) улучшаются составы продуктовых потоков: концентрация легкокипящего компонента в дистилляте растет, а в кубе падает. Однако одновременно при изменении доли отгона от нулевого значения наблюдается значительная асимметрия величин QW и QD.

Таблица 2.

Показатели оптимальных режимов при различных температурах исходной смеси метанол-этанол эквимолярного состава № TF тп, D W x1, 0 x1, x1, пп С e Кал/град час Кал/час мол.д. мол.д. мол.д.

.

1 5 -0,175 0,8037 0,1963 0,5057 1608 5 2,2 10 -0,163 0,8032 0,1963 0,5050 1498 5 2,3 20 -0,138 0,8022 0,1978 0,5053 1273 5 2,4 30 -0,112 0,8011 0,1989 0,5203 1042 5 1,5 40 -0,085 0,8000 0,2000 0,5000 803,8 5 1,6 50 -0,057 0,7987 0,2013 0,4987 557,4 5 1,7 60 -0,029 0,7975 0,2025 0,4969 302,3 5 0,8 70 0,000 0,7961 0,2039 0,4950 37,86 5 0,Последнее говорит о том, что в исчерпывающей секции колонны (при е<0) увеличивается рецикл флегмы и паровое число. При этом эффективность разделения уменьшается. Для более наглядной иллюстрации на рисунке 2 приведена зависимость разницы расхода энергии в кипятильнике и конденсаторе от температуры исходной смеси, соответствующая показателям таблицы 2.

Расход энергии в кипятильнике с уменьшением температуры растет (QW-QD >0) за счет роста парового числа.

Последнее понятно, так как по условию поверочной задачи флегмовое число поРис.2. Зависимость разницы расстоянно. Таким образом, специально захохода энергии в кипятильнике и лаживать исходную смесь нецелесообразконденсаторе от температуры но и рационально подавать ее в виде киисходной смеси метанол-этанол;

пящей жидкости. В этом случае разность М=10, R=2, W/D=1.

QW-QD наименьшая и подтверждается результат, полученный ранее для проектной задачи. В пользу подачи исходной смеси при температуре кипения свидетельствует и наименьшее производство энтропии (табл. 2).

В целом, вопрос о фазовом состоянии и температуре исходной смеси напрямую связан, на наш взгляд, с рассмотрением колонны как изолированного объекта либо колонны как элемента схемы (разделительного комплекса). В первом случае нами обоснована целесообразность подачи питания при температуре кипения, во втором, по-видимому, - смесь следует подавать в том состоянии, в котором она поступает в колонну с предыдущей стадии. Последнее будет выгодно, если увеличение нагрузки на куб при пониженной температуре питания будет меньше тепла, требуемого для подогрева исходной смеси до температуры кипения.

В дальнейшем при постановке вычислительных экспериментов по ректификации бинарных и тройных смесей будем рассматривать подачу исходной смеси в виде кипящей жидкости при заданном давлении.

В пятой главе предложен новый подход к оценке термодинамической эффективности различных режимов ректификационной колонны, схем в целом и функциональных комплексов. Одной из таких оценок, связанной с задачами термодинамической оптимизации, является определение оптимального уровня ввода исходной смеси в колонну. Для бинарных смесей задача имеет однозначное решение. Для ректификации многокомпонентных идеальных смесей задача решалась ранее без указания ее типа (проектная, поверочная). Часто использовался метод Андервуда при допущении постоянства относительной летучести компонентов.

Предлагаемый нами подход применим к смесям различной природы и базируется на величине производства энтропии и балансовых соотношениях, вытекающих из закона сохранения энергии и вещества.

Согласно закону Гленсдорфа-Пригожина, стационарный режим характеризуется определенным производством энтропии. Вся произведённая в колонне энтропия уходит с потоками энергии и массы в окружающую среду. Таким образом, в стационарном режиме энтропия в колонне остаётся постоянной, а энтропия в окружающей среде растёт в единицу времени. Так как энтропия помимо свойства постоянно возрастать является функцией состояния, очевидно, каждый поток характеризуется определённой величиной энтропии. Тогда баланс энтропии для стационарного процесса можно записать в виде:

(4) Откуда производство энтропии равно:

, (5) где - энтропия, выводимая (вносимая) с энергией в полном конденсаторе (в кипятильнике); SD,SW, SF - энтропия потоков дистиллята, кубового продукта, исходной смеси.

В уравнениях (4, 5),,,, где и - теплоты равновесного испарения кубового продукта и полrW rD ной конденсации паров дистиллята; - количества паровых потоков куба и VW,VD дистиллята. В общем случае QD QW.

Если представить величины энтропии массовых потоков как произведение мольной энтропии на число молей потока, то получим:

QD QW L L L DSD WSW FSF T, (6) x D T TW где D,W, F - количество молей дистиллята, кубового остатка и исходной смеси, L L соответственно; SD и SW - мольные энтропии дистиллята и кубового продукта, L SF - мольная энтропия исходной смеси, подаваемой в виде кипящей жидкости.

Уравнение (6) может быть получено суммированием производства энтропии на каждом уровне колонны с учетом противотока. Здесь полное производство энтропии представлено суммой двух составляющих, обусловленных энергетическими ( ) и материальными потоками ( ), которые имеют вид:

T x QD QW T (7) D T TW L L L DSD WSW FSF (8) x Величины T и отражают баланс энтропии потоков энергии и вещества, x пересекающих границу термодинамической системы. Поэтому они могут быть больше нуля, равны нулю и меньше нуля. В свою очередь, величина производства энтропии всегда положительна, так как в ректификационной колонне энтропия всегда производится. Проведен анализ выражения (6) для производства энтропии в проектном и поверочном вариантах расчета непрерывной ректификации смеси, подаваемой в колонну в виде кипящей жидкости.

Критериями оптимального расположения уровня питания в проектном варианте расчета ректификации бинарных смесей является максимальное приближение состава на тарелке питания к составу исходной смеси, что обеспечивает наименьшее значение. Показано, что в проектной задаче концентрационная составляющая постоянна, так как составы конечных продуктов заданы, а темx пературная составляющая T при оптимальном расположении тарелки питания является наименьшей из всех возможных. Здесь при определении минимального флегмового числа наблюдается на оптимальной тарелке питания двухсторонняя бесконечность ступеней разделения. При неоптимальном положении тарелки питания реализуется односторонняя бесконечность и минимальное флегмовое число возрастает. В качестве примера на рисунке 3 приведены положения рабочих линий и зависимость минимального флегмового числа от уровня подачи исF ходной смеси метанол (1)-вода (2) состава x1 =0,4 мол.д.

Рис. 3. Положение рабочих линий (а) и зависимость вычисленных минимальных флегмовых чисел (б) от уровня подачи исходной смеси метанол-вода:

(1) для укрепляющей, (2) для исчерпывающей секций колонны Нами в работе рассмотрены особенности ректификации смесей различной физико-химической природы в режиме поверочной задачи. В качестве объектов на первом этапе выбраны бинарные смеси, характеристики которых приведены в табл. 3.

Вычислительный эксперимент проводили с использованием программноориентированного комплекса Chemcad 5.2.0. Моделирование парожидкостного равновесия и расчет различных режимов ректификации осуществляли с помощью уравнений NRTL и Wilson. Результаты расчета ректификации представлены в приложении к диссертации.

Вычислительный эксперимент проводили в следующей последовательности:

закрепляли состав, количество и энтальпию (энергетическое состояние) исходной смеси, количество тарелок в колонне, флегмовое число, соотношение количеств дистиллята и кубового продукта. Далее проводили расчет ректификации, варьируя уровень подачи исходной смеси в колонну. Для каждого режима вычисляли производство энтропии и его составляющие (,,,, ). Строили зависимости полученных величин от номера тарелки питания и выбирали оптимальный уровень подачи исходной смеси для каждого случая.

Для примера на рисунке 4 приведены зависимости составов дистиллята, кубового продукта и на тарелке питания (а) и производства энтропии (б) от уровня F подачи исходной смеси метанол-этанол состава x1 =0,5 мол.д. при числе ступеней разделения N=10, флегмовом числе R=2 и W/D=1.

Таблица 3.

Характеристики исследуемых смесей, T Tаз., К Смесь 1-2 Вид смеси T10, К, К мол.

доли 1. Бензол – Толуол Идеальная 353,25 383,78 - - 2. Метанол – Этанол Зеотропная 337,90 351,70 - - 3. Метанол – Вода Зеотропная 337,90 373,20 - - 4. Ацетон – Изопропанол Зеотропная 329,70 355,50 - - 5. Ацетон – Гексан Азеотропная 329,70 342,09 322,79 0,6. Бензол – Изопропанол Азеотропная 353,25 355,50 344,86 0,7. Ацетон – Метанол Азеотропная 329,70 337,90 328,48 0,8. Вода – Муравьиная Азеотропная 373,20 373,92 375,85 0,кислота Ti0,Tаз - температура кипения чистого вещества и азеотропа, соответственно, при 760 мм.рт.ст.

Оптимальному уровню питания колонны соответствует ее максимальная разделительная способность и, следовательно, наивысшая величина производства энтропии.

xi 0,0,0,0,0,0,xD 0,0,3 xW Xтп 0,0,0,0,№ТП №ТП 0,2 3 4 5 2 3 4 5 а) б) Рис. 4. Влияние уровня подачи исходной смеси метанол-этанол а) на состав D W ТП дистиллята ( x1 ), кубового продукта ( x1 ) и на тарелке питания ( x1 ); б) на производство энтропии.

Обобщенные результаты расчета ректификации бинарных смесей в поверочном варианте приведены в табл. 4.

Таблица 4.

Значения критерия оптимального расположения уровня питания и его составляющих при ректификации бинарных смесей (поверочный расчет) Характеристика Значения критериев № Ь смеси и показатели 1 пп mопт T D x T TW процесса Метанол-Этанол XF=0.5, max, max, max, min, max, 1 R=0.5, N=10, W/D =1 >0 >0 >0 <0 >max, max, max, min, max, 2 XF=0.5, R=2, N=10, W/D =1 >0 >0 >0 <0 >max, max, max, min, max, 3 XF=0.5, R=5, N=10, W/D =1 >0 >0 >0 <0 >max, max, max, min, max, 4 XF=0.5, R=8.5,N=10,W/D =1 >0 >0 >0 <0 >Ацетон-Метанол XF=0.5, max, min, max, min, max, 5 R=2, N=6, W/D =0.564 >0 <0 >0 <0 >Вода – Муравьиная к-та max, min, const, max, 6 XF=0.2, R=2, N=6, W/D 4 max, >>0 <0 0 >=1.max, min, max, const, max, 7 XF=0.7,R=2,N=6,W/D =0.992 >0 <0 >0 >0 >Ацетон – Гексан XF=0.8, max, max, max, const, max, 8 R=2, N=6, W/D =0.785 >0 >0 >0 <0 >max, max, max, max, max, 9 XF=0.4,R=2,N=6,W/D =0.608 >0 >0 >0 >0 >Бензол – ИПС XF=0.7, R=2, max, max, max, const, max, 10 N=6, W/D =0.377 >0 >0 >0 <0 >Бензол – Толуол XF=0.5, max, max, max, min, max, 11 R=2, N=8, W/D =1 >0 >0 >0 <0 >Ацетон – Этанол XF=0.5, const, const, const, const, const, 12 9-R=0.5, N=20, W/D =1 m=4-16 m=4-16 m=4-16 m=4-16 m=4-Ацетон – Этанол XF=0.5, const, const, const, const, const, 13 4-R=0.5, N=30, W/D =1 m=6-28 m=6-28 m=6-28 m=6-28 m=6-Анализ данных показал, что различные составляющие энтропийного критерия, а именно:, ( ), и так же реализуют экстремумы и могут выступать в качестве дополнительных характеристик оптимального расположения тарелки питания. Их можно использовать, если критерий дает слабо выраженный максимум, что возможно при приближении конечных составов к предельным составам продуктовых потоков или при обработке данных натурного эксперимента.

D Величина всегда положительна, так как T TW. Разность может иметь разный знак в зависимости от природы разделяемой смеси. Примеры зависимости этой величины от уровня питания ректификационной колонны для смесей ацетон-гексан и вода-муравьиная кислота приведены на рисунке 5.

а) б) Рис. 5. Зависимость от уровня питания. а) Смесь ацетон – гексан; б) Смесь вода – муравьиная кислота.

Необходимо отметить, что при заданном флегмовом числе увеличение числа тарелок приводит к приближению результатов поверочного варианта расчета к D W проектному. При x1 =1, x1 =0 реализуется четкая ректификация и задача становится чисто проектной. При переходе от одного типа задачи к другому приоритет отдается величинам, которые являются представительными составляющими критерия.

В дальнейшем осуществлялся поиск оптимального уровня подачи питания при ректификации трехкомпонентных смесей ацетон-метанол-этанол и ацетонИПС-вода, диаграммы которых относятся к классу 3.1.0 типов 1а и 2 (рис. 6).

Рис. 6. Диаграммы траекторий ректификации при четком разделении (, ) исследуемых трехкомпонентных смесей а) ацетон-метанол-этанол; б) ацетон-изопропиловый спирт-вода.

Для этой цели были обработаны результаты натурного эксперимента1, которые воспроизведены нами в вычислительном эксперименте.

На основе данных натурного эксперимента о конечных составах продуктов и их температурах получены величины энтропий и энтальпий потоков, затем были определены значения производства энтропии и ее составляющих. Результаты вычислительных экспериментов представлены графически на рис. 7. По экстремальным значениям критериев определено оптимальное расположение тарелок питания. Для смеси ацетон-метанол-этанол заданного состава при разных соотношениях количеств продуктов оптимальными являются вторая (рис. 7.1) и девятая (рис. 7.2) тарелки, соответственно. Для смеси ацетон-изопропанол-вода (рис.

7.3) – пятая.

Совпадение данных расчетного и натурного экспериментов позволяет утверждать, что предлагаемый нами критерий оптимального расположения уровня питания работоспособен как в случае использования теоретических ступеней разделения, так и в случае реальной ректификации.

В этой главе также показана возможность применение для оптимизации уровней ввода питания и экстрактивного агента (ЭА) в колонну экстрактивной ректификации (ЭР).

Производство энтропии для колонны экстрактивной ректификации рассчитывается по следующей формуле:

D W Sq SD SW SF SЭА Sq (9) Серафимов, Л. А. Направленное изучение фазового равновесия жидкость-пар и расчет ректификации неидеальных многокомпонентных смесей : дис...канд. техн. наук : 02.00.06 :

защищена 20.09.61 : утв. 29.03.61 / Серафимов Леонид Антонович. - М., 1961. - 292 с.

Рис. 7. Зависимости: а), б) ; в) от положения уровня ввода исходной смеси состава: 1) ацетон (0,48 м.д.) – метанол (0,12 м.д.) – этанол (0,40 м.д.) при R=8,5, W/D =1,18; 2) то же при W/D =1,76; 3) ацетон (0,0592 м.д.) – изопропанол (0,0445 м.д.) – вода (0,8963 м.д.) при R=3, W/D =5,Для оптимизации уровней подачи двух питаний также использованы составляющие производства энтропии.

Колонна ЭР обладает числом степеней свободы:

(10) На первом этапе закреплялись все свободные переменные (количество тарелок, флегмовое число, состав, количество и состояние потока питания, состав, количество и состояние потока экстрактивного агента, количество отбора дистиллята). Затем задача решалась методом перебора номеров тарелок подачи и ЭА и поиска оптимального соотношения по критерию производства энтропии.

Pages:     | 1 || 3 |






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