WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 ||

Данный алгоритм определения оптимальных уровней подачи двух питаний в колонну ЭР проиллюстрирован примером разделения бинарной азеотропной смеси ацетон-метанол (состав азеотропа при давлении 760 мм рт.ст.: хац=0,м.д.; хмет=0,217 м.д., Таз =55,34 0С) в присутствии воды (ЭА). Показано, что уровни кип подачи потоков в колонну ЭР также могут быть оптимизированы с помощью предложенного нами энтропийного критерия, которому отвечает экстремальное значение величины производства энтропии при прочих закрепленных параметрах.

В шестой главе исследована возможность использования энтропийного критерия для оценки различных вариантов линейных технологических схем и функциональных комплексов.

Переход от одиночной колонны к линейной технологической схеме или функциональному комплексу вводит новую переменную – структуру этой схемы или комплекса. Число колонн в линейной схеме равно, где - число получаемых фракций. Если в виде фракций отбирают практически чистые компоненты, то. Число вариантов линейных технологических схем (Z) определяется числом получаемых фракций и равно:

(11) Для случая идеальных трехкомпонентных смесей наиболее полное исследование линейных схем в режиме проектной задачи было выполнено М.М. Корабельниковым.

Для определения количества переменных в поверочном режиме подходящим является метод Квока, предложенный для вычисления вариантности ректификационной колонны. В случае схем или комплексов элементами служат составляющие их колонны. При этом учитывается, что выходящий из колонны поток является входящим в другую колонну.

Вариантность линейной двухколонной схемы равняется:

(12) При рассмотрении первого заданного разделения уравнение для расчета составляющих и общего производства энтропии при разделении тройной смеси на три фракции будет иметь вид:

, (13), (14) при этом Двойной индекс означает: первая цифра заданное разделение, вторая – номер колонны. (15) Для второго заданного разделения аналогично можно получить:

, (16), (17) при этом.

Очевидно, что, так как для двух вариантов разделения исI II пользуется одна и та же исходная смесь. При этом если, то эффективI II нее вариант первого заданного разделения, если, то эффективнее будет вариант второго заданного разделения.

С целью выделения в концентрационном симплексе областей эффективности той или иной схемы были рассмотрены две (в соответствии с формулой (11)) линейные схемы разделения тройных смесей бензол-толуол - параксилол и ацетон-изопропанол-вода. Давление во всех колоннах 760 мм.рт.ст. Для различных составов исходных смесей, выбранных по методу секущих и сечений, проведен расчет ректификации в поверочном варианте. Для каждого случая определялось оптимальное положение тарелки питания в каждой из колонн по максимальной величине производства энтропии и рассчитывалось значение производства энI II тропии по схеме в целом ( и ).

На рисунке 8 показано разбиение симплекса на области преимущественного осуществления ректификации по первому или второму заданным разделениям. Границей между областями выступает изоэнтропийное многообразие. Полученные с помощью критерия производства энтропии области совпадают с областями, полученными иным путем и приведенными в литературе.

Аналогичный расчет проведен Рис. 8. Области оптимальности первого и для тройной неидеальной смеси второго заданных разделений.

ацетон-изопропанол-вода. В качестве продуктов выделяются два индивидуальных компонента и азеотроп. Диаграмма данной системы (рис. 6,б) имеет сепаратрису, которая разделяет концентрационный треугольник на две области ректификации. В каждой области возможны два варианта схем, различающиеся организацией процесса в первой колонне по 1-ому или 2-ому заданному разделению. Установлено, что оптимальной тарелке питания в большинстве случаев отвечает максимум величины производства энтропии. Важно, что выбор оптимального уровня подачи питания подтверждается целым набором критериев. Сравнение схем проведено по минимальной сумме производства энтропии, что отвечает и минимальным энергозатратам по схеме в целом. Показано, что в отличие от зеотропной системы, для всех составов исходной смеси термодинамическим преимуществом обладает схема, ориентированная на 1 заданное разделение.

Полученные данные вносят коррективы в традиционные эвристические правила и таким образом переносить закономерности, полученные для зеотропных смесей, на азеотропные смеси в ряде случаев неправомерно.

Для изучения производства энтропии в функциональных комплексах был использован Рис. 9. Функциональный двухколонный комплекс экстрактивной ректикомплекс экстрактивной фикации смеси ацетон – метанол, охваченный ректификации. 1 – колонрецикловым потоком (ЭА – вода) (рис. 9).

на экстрактивной ректиВариантность комплекса экстрактивной фикации; 2 – колонна реректификации равна:

генерации ЭА.

, (18) Количество независимых переменных комплекса ЭР отличается от вариантности линейной схемы ректификации на переменные. Предварительно в главе 5 осуществлён поиск оптимального соотношения двух уровней подачи питания в колонну экстрактивной ректификации методом перебора.

В таблице 5 представлены статические параметры работы колонн ЭР и регенерации ЭА.

Поскольку куб колонны регенерации ЭА является рецикловым потоком, к которому предъявляются определённые требования по качеству (содержание ЭА не менее 0,995 м.д.), то задача расчета комплекса ЭР в целом может быть заменена расчетом отдельных колонн: или комплекса как единого целого в проектноповерочном варианте.

Таблица 5.

Статические параметры работы колонн ЭР и регенерации ЭА Колонна №п.п. Параметр Колонна ЭР (1) регенерации ЭА (2) 1 N 25 2 R 3 3 Соотношение F:ЭА 1:3 - 4 20 5 12 - Состав дистиллята 6 0,9765:0,0040:0,0196 0,0225:0,9775:(A:B:ЭА) Состав куба 7 0,0026:0,1662:0,8312 0:0,0079:0,(A:B:ЭА) Выводы:

1. 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 в целом колонны с различной организацией материальных и энергетических потоков, в том числе колонны гетероазеотропной и экстрактивной ректификации.

2. На основе анализа известных методов определения числа независимых переменных и собственных вычислений показана независимость числа степеней свободы (вариантности) относительно всех типов задач расчета ректификации (проектного, поверочного, проектно-поверочного).

3. С применением координат конфигурационного пространства доказана идентичность нестационарных процессов открытого равновесного испарения (конденсации) и стационарного многоступенчатого процесса ректификации, что позволило выявить полистационарность процессов, обусловленную фазовым равновесием (наличием разного числа аттракторов в структуре фазовой диаграммы).

4. Исследована взаимосвязь фазового состояния и температуры исходной смеси с тепловыми нагрузками на куб и конденсатор, с положением тарелки питания при ректификации бинарных смесей. Обоснована подача исходной смеси в виде кипящей жидкости при заданном давлении при постановке вычислительных экспериментов.

5. Предложен новый универсальный критерий (производство энтропии) и его составляющие (температурная и концентрационная), позволяющие оценить оптимальное расположение уровня питания ректификационных колонн при решении как проектной, так и поверочной задач, а также оценить в сравнительном аспекте оптимальность различных технологических схем и функциональных комплексов.

6. Показано, что оптимальное расположение уровня питания соответствует в случае проектной задачи минимуму производства энтропии и минимуму энергетических затрат, в случае поверочной задачи - максимуму производства энтропии и минимуму энергетических затрат. При сравнении технологических схем и функциональных комплексов оптимальным для данной разделяемой смеси будет та схема или комплекс, которому соответствуют минимум затрат энергии и минимум энтропийного критерия.

7. Разработанная методика определения оптимального расположения уровня подачи питания (одного или нескольких) проиллюстрирована на примере разделения семи бинарных и двух тройных смесей разной природы. С использованием предложенного критерия: а) проведено разбиение концентрационного пространства систем бензол-толуолксилол и ацетон-изопропанол-вода на области преимущественной реализации схем, ориентированных на первое или второе заданное разделение; б) показана принципиальная возможность оптимизации двух уровней подачи питания в колонну экстрактивной ректификации.

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

Список опубликованных работ:

1. Хахин, Л. А. Оптимальное расположение уровня подачи исходной смеси при ректификации бинарных зеотропных смесей / Л.А. Хахин, В.А. Раева, А.К. Фролкова // Ученые записки МИТХТ. - 2004. - Вып.11. - С. 84-91.

2. Фролкова, А.К. Термодинамическая оптимизация процесса ректификации с помощью критерия прироста энтропии / А.К. Фролкова, Л.А. Хахин // II Молодежная научно-техническая конференция «Наукоемкие химические технологии» : тезисы докладов, Москва, Россия, 16-18 октября 2007. – М., 2007. – С. 15.

3. Правило фаз : Учебно-методическое пособие / Л.А. Серафимов, А.К.

Фролкова, Л.А. Хахин. – М. : ИПЦ МИТХТ, 2008. – 48 с.

4. Фролкова, А. К. Энтропийная оценка ректификации бинарных смесей при различных вариантах расчета процесса / А.К. Фролкова, Л.А. Хахин // Вестник МИТХТ. – 2008. – Т. 3, № 2. – С. 53-61.

5. Фролкова, А. К. Изменение температуры вдоль траекторий процесса равновесной конденсации / А.К. Фролкова, Л.А. Хахин, Т.В. Челюскина, Л.И.

Черных // Вестник МИТХТ. – 2008. – Т. 3, № 2. – С. 62-65.

6. Серафимов, Л.А. Исследование энтропии равновесного процесса дистилляции с последующей полной конденсацией / Л.А. Серафимов, А.К.

Фролкова, Л.А. Хахин // Вестник МИТХТ. – 2008. – Т. 3, №5. – С. 50-56.

7. Фролкова, А. К. Полистационарность в дифференциальных процессах открытой равновесной дистилляции и равновесной конденсации / А.К.

Фролкова, Л.А. Хахин, В.М. Раева // ТОХТ. – 2008. – Т. 42, № 6. – С. 605614.

8. Фролкова, А.К. Термодинамическая оптимизация процесса ректификации с помощью критерия прироста энтропии / А.К. Фролкова, Л.А. Хахин // XII Международная научно-техническая конференция «Наукоемкие химические технологии 2008» : тезисы докладов, Волгоград, Россия, 09-11 сентября 2008 г. – ВолгГТУ. - Волгоград, 2008. – С. 45-46.

9. Фролкова, А. К. К определению числа степеней свободы химикотехнологических объектов (на примере ректификационной колонны) / А.К. Фролкова, Л.А. Хахин // Химическая Технология. – 2009. - № 4. – С.

237-245.

10. Фролкова, А.К. Оценка оптимального расположения уровня питания при ректификации бинарных многокомпонентных смесей разной природы / А.К. Фролкова, Л.А. Хахин // Вестник МИТХТ. – 2009. – Т. 4, № 3.- С. 45-56.

Pages:     | 1 | 2 ||






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