Термодинамико-топологический анализ фазовых диаграмм как основа синтеза схем разделения (стр. 10 )

Особые точки векторного поля движущей силы процесса ректификации реализуются при условии в двух случаях:

1) если , , тогда , а при выделении в качестве продуктовых потоков чистых компонентов или азеотропов равна нулю и равновесная нода . Динамическая система ректификации реализует все особые точки, характерные для дистилляции (лекция № 3), и составы продуктовых потоков, соответствующие чистым компонентам или азеотропам, являются предельно возможными. Для реализации данного режима требуется колонна бесконечной эффективности (бесконечное число теоретических тарелок).

2) если равновесная и рабочая ноды совпадают . При этом реализуются все режимы многокомпонентной ректификации с минимальным флегмовым числом (Rmin).

Траектории ректификации при m=1 (R=¥) топологически подобны дистилляционным линиям, поскольку в этом случае рабочая нода равна нулю и движущая сила процесса ректификации определяется только равновесной нодой. Последнее является важным моментом с точки зрения использования диаграмм хода дистилляционных линий для синтеза принципиальных схем ректификации, протекающей в режиме бесконечной флегмы.

Основным вопросом организации процесса разделения является определение предельно возможных составов получаемых продуктов или отдельных фракций с необходимым выходом. Для любой зеотропной многокомпонентной смеси решение этого вопроса связано только с эффективностью процесса и протяженностью аппарата, в котором осуществляется разделение. Иногда протяженность оказывается настолько большой, что приходится отказываться от данного метода разделения и заменять его другим методом (например, когда относительная летучесть разделяемых компонентов близка к единице). В этих случаях теоретически разделение возможно, но практически трудно осуществимо. Для азеотропных многокомпонентных смесей появляются иные ограничения, связанные с особенностью фазовых диаграмм. Для большинства диаграмм концентрационный симплекс распадается на ряд областей дистилляции, причем траектории, принадлежащие каждой из областей, или начинаются, или кончаются в разных особых точках. Такое «расслоение» концентрационного симплекса, в пределах которого развивается процесс разделения, является характерной особенностью азеотропных смесей.

Как известно, наибольшая эффективность ректификационных колонн достигается при флегмовом числе, равном ¥. Следовательно, и возможность достижения того или иного состава азеотропной многокомпонентной смеси должна рассматриваться для этого режима. Вместе с тем по мере приближения к азеотропному составу при бесконечном флегмовом числе или при приближении к чистому компоненту число теоретических тарелок стремится к бесконечности.

Таким образом, предельно достижимые составы необходимо определять в режиме четкой ректификации, при которой число тарелок и флегмовое число стремятся к бесконечности. При этом режиме фазовые диаграммы траекторий ректификации качественно подобны фазовым диаграммам траекторий дистилляции, т. е. пучки траекторий этих процессов начинаются и кончаются в одних и тех же особых точках и имеют одну и ту же конфигурацию. Следовательно, процесс ректификации может развиваться в пределах области, границы которой определяются границами определенного, пучка траекторий. Эти области были названы областями непрерывной четкой ректификации.

Если допустить, что количество отбираемых дистиллята и кубового продукта, а также количество подаваемой исходной смеси определенного состава бесконечно малы, то составы дистиллята исходной смеси и кубового продукта будут лежать на одной прямой линии. В то же время составы дистиллята и кубового продукта будут практически принадлежать одной и той же траектории ректификации при флегмовом числе, стремящемся к бесконечности.

Последнее позволяет определить предельные значения составов дистиллята и кубового продукта при четком разделении, которые обусловлены структурой диаграммы фазового равновесия. Каждая область четкой ректификации имеет точку наинизшей температуры кипения и точку наивысшей температуры кипения. Первая точка соответствует на диаграмме траекторий неустойчивому узлу, вторая — устойчивому узлу. Разделение ректификацией, при котором в качестве дистиллята выделяется смесь или компонент, имеющий наинизшую температуру кипения, принято называть первым заданным разделением. Разделение, при котором в качестве кубового продукта выделяется фракция или компонент, имеющие наивысшую температуру кипения, называется вторым заданным разделением. Остальные составы дистиллятов и кубовых продуктов соответствуют промежуточным заданным разделениям. Каждому заданному разделению соответствует свое отношение числа молей кубового продукта к числу молей дистиллята W/D.

На рис. 6.1 представлены для трехкомпонентных смесей некоторые примеры разбиения областей разделения на подобласти ректификации, различающиеся набором продуктов, получаемых в схеме.

Таким образом, термодинамико-топологический анализ позволяет не только установить все типы диаграмм фазового равновесия, но при минимальной информации физико-химического характера получить ограничения на составы продуктов, получаемых в процессе разделения конкретной смеси.

Рис. 6.1. Примеры областей разделения для трехкомпонентных смесей.

6.2. Общие подходы к синтезу технологических схем разделения.

Любую технологическую схему разделения можно представить как набор операторов разделения (ректификационных, экстракционных, абсорбционных и других колонн), определенным образом взаимосвязанных между собой.

Задача синтеза оптимальной технологической схемы разделения в самом общем виде заключается в следующем.

При известных составе и состоянии сырья, получаемого в результате химических реакций (т. е. в реакционной подсистеме), и заданных компонентах или фракциях, которые должны быть выделены, и их качестве необходимо выбрать: методы, которые могут быть применены на каждом этапе разделения, оптимальный набор разделительных операторов, оптимальную схему потоковых взаимосвязей между операторами и оптимальные параметры работы каждого оператора (оптимальные не по отдельным операторам, а для всей схемы разделения).

В качестве критерия оптимальности, как правило, выбираются минимальные суммарные приведенные затраты на разделение для всей схемы в целом. Точный расчет приведенных затрат весьма трудоемок и требует расчета всего оборудования, входящего в технологическую схему разделения. Поэтому для предварительных оценок часто используют другие критерии, например только энергозатраты, так как они составляют большую часть от общих затрат. Расчет энергетических затрат на процесс разделения, например, ректификации, сравнительно прост, для него требуются только данные, полученные при статическом расчете ректификации.

Задача создания оптимальных схем разделения продуктов основного органического и нефтехимического синтеза является наиболее сложной. Сложность этой задачи определяется прежде всего поливариантностью выбора структуры технологической схемы.

Если рассматривать только ректификационное разделение на чистые компоненты гомогенных зеотропных смесей, то число вариантов технологических схем N может быть выражено следующим соотношением, предложенным :

(6.3)

где n – число разделяемых компонентов.

Так, для разделения смеси, состоящей из 7 компонентов, возможно 132 различных варианта схемы ректификации, а для смеси из 10 компонентов – 4862.

Сложность заключается в том, что ни один из вариантов не может быть отброшен без тщательного исследования, так как любой из них может оказаться оптимальным в данной области переменных (состав исходной смеси, набор относительных летучестей компонентов, давления).

Если же учесть число возможных типовых процессов разделения (S), то число вариантов технологических схем разделения значительно увеличится и может быть определено по следующей формуле:

(6.4)

Многокомпонентные зеотропные смеси, состоящие из химически и термически стойких компонентов, встречаются довольно редко. Обычно разделению подвергаются азеотропные, расслаивающиеся смеси или смеси, состоящие из химически активных и термически нестойких веществ. При этом свойства отдельных компонентов и смесей формируют определенные ограничения на процессы разделения.

Учет всех ограничений приводит к значительному сокращению числа вариантов технологических схем разделения.

6.3. Методы разделения и принципы их выбора

В производствах основного органического и нефтехимического синтеза применяются практически все известные методы разделения многокомпонентных смесей на чистые компоненты или фракции веществ. Это обусловлено постоянным расширением номенклатуры продуктов промышленного органического синтеза, широким диапазоном свойств синтезируемых веществ и повышением требований к их чистоте.

Так как при синтезе того или иного продукта получаются сложные многокомпонентные смеси, часто в одном производстве используется несколько методов разделения. Если получаемая смесь многофазна, то на первой стадии производится разделение фаз. Отделенные одна от другой фазы подвергаются дальнейшему разделению на чистые компоненты или фракции, имеющие товарную ценность.

Все методы разделения распадаются на три большие группы:

1) методы, основанные на различных физических свойствах разделяемых веществ;