Термодинамико-топологический анализ фазовых диаграмм как основа синтеза схем разделения (стр. 16 )

Рис. 8.7. Взаимное расположение разделяющей линии и линии центров тяжести продуктовых симплексов, отвечающих различным составам исходной смеси (а),
выделение области работоспособности простейшего симплекса (б, в),
где: R31B- разделяющая линия,
R31O- линия центров тяжести продуктовых симплексов.

Таким образом, положение касательной к разделяющей линии в точке азеотропа определяет предельное положение линии материального баланса комплекса в целом и соответственно область составов, в которой разделение смеси возможно, так как удовлетворяет всем требованиям (на рис. 8.7, б эта область заштрихована). Линия АОпред делит весь треугольник на две области, лежащие ниже (I) и выше этой границы. Последняя в свою очередь делится касательной к разделяющей R31Опред еще на две области (II) и (III). Область (I) включает составы исходных смесей, из которых могут быть выделены все три компонента в чистом виде с помощью комплекса с одним рециклом. Все колонны здесь работают при одном и том же давлении.

Величина области работоспособности при закрепленном составе рециклового потока (состав бинарного азеотропа) определяется кривизной сепаратрисы, т. е. ее локальными геометрическими характеристиками. В пределе, когда кривизна равна нулю, точка Опред совмещается с вершиной В, секущая предельных составов исходных смесей совпадает со стороной АВ, то есть нет ни одного состава трехкомпонентной смеси, который мог бы быть разделен на чистые компоненты с помощью рассматриваемого комплекса аппаратов.

Величина обозначенной области зависит непосредственно от положения точки R31 в концентрационном симплексе, т. е. от состава азеотропа при конкретных условиях проведения процесса. В зависимости от давления и свойств системы (соотношения парциальных молярных теплот испарения) поток R31 может быть обогащен как одним, так и другим компонентом, что в свою очередь определяет величину области работоспособности комплекса (рис. 8.7, в). Данный вывод представляется важным с точки зрения сохранения работоспособности схемы в условиях варьирования внешних параметров (давления, температуры), влияющих на изменение состава азеотропа и, соответственно, на положение границ областей ректификации, а также на геометрические свойства границ в окрестности точки рециклового потока. В случае, если сепаратриса имеет S-образную форму, область работоспособности зависит от соотношения направлений собственных векторов в седловинной и узловой точках и определяется положением касательной к ней либо в точке перегиба (рис. 8.8,а), либо в точке азеотропа (рис.8.8,б).

 

а) б)

Рис. 8.8. Выделение областей работоспособности комплекса

а) R31Опред - касательная в точке перегиба,
б) -R31Опред - касательная в точке бинарного азеотропа

8.3. Четырехкомпонентные смеси

Представим блок-схему расчета балансовых соотношений на примере комплекса разделения четырехкомпонентной смеси ацетон-хлороформ-бензол-толуол (рис. 8.9). Будем отталкиваться от состава брутто-питания. Для многокомпонентных смесей это единственный путь, определяемый возможностями компьютерной программы. Допускаем получение в качестве продуктов чистые компоненты.

Рис. 8.9. Простейший четырехколонный комплекс

для разделения смеси ацетон-хлороформ-бензол-толуол

Алгоритм анализа балансовых соотношений
в четырехкомпонентной системе:

1) Заданы количество брутто-смеси F*=1.0 моль/час, ее состав и состав рециклового потока , равный составу бинарного азеотропа Ац-Х.

2) Проводим итерационный расчет ректификации в первой колонне с целью определения состава потока R12, принадлежащего сепаратрисе Sn-2 .

3) Количество дистиллятного продукта первой колонны соответствует количеству ацетона в исходной смеси F0, что вытекает из уравнения материального баланса по компоненту для комплекса в целом:

Так как концентрация целевого вещества в продуктовом потоке равна 1, в других продуктовых потоках – нулю, то .

Из уравнения общего материального баланса первой колонны и баланса по ацетону

получаем:

и

Таким образом, на этом этапе нам известно количество ацетона в исходной смеси F0, количество и состав потока R12.

4) Из общего материального баланса определяющего контура, охватывающего вторую, третью и четвертую колонны,

, где ,

и баланса по компоненту, отсутствующему в потоке О (ацетон),

находим количество потока

и суммарное количество хлороформа, бензола и толуола в исходной смеси F0: .

Из баланса по хлороформу и бензолу (компонент, отсутствующий в потоке R41 - азеотропе)

рассчитаем концентрацию бензола и хлороформа в точке О:

,

,

.

Таким образом, соотношение количеств хлороформа, бензола, толуола в точке О и, соответственно, в исходной смеси F0 известно.

5) Из баланса смешения потоков на входе в первую колонну или из общего материального баланса комплекса находим количество исходной смеси . С учетом п. 4 состав исходной смеси определен.

Переходя к другому составу брутто-питания в сечении хТ=const и от сечения к сечению, формируем определенным образом совокупность составов исходных смесей, необходимую для выявления общих тенденций изменения кратности рецикла и энергозатрат в гомологических рядах схем.

Литература

1.  , Серафимов технологии основного органического и нефтехимического синтеза. - М.: ВЫСШАЯ ШКОЛА, 2003. -242 с.

2.  , , Серафимов законы фазового равновесия бинарных систем. -М.: МИТХТ, 2001. -38 с.

3.  , Серафимов -химические основы дистилляции и ректификации. - Л.:ХИМИЯ, 1975. -240 с.

Издание учебное

,

ТЕРМОДИНАМИКО-ТОПОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
КАК ОСНОВА СХЕМ РАЗДЕЛЕНИЯ

Учебное пособие для самостоятельной работы студентов

Подписано в печать....................... Формат 60х84/16. Бумага писчая

Отпечатано на ризографе. Уч. изд. листов........ Тираж 500 экз. Заказ №......

Лицензия на издательскую деятельность ИД

Московская государственная академия тонкой химической технологии

им.

Издательско-полиграфический центр

119571 Москва, пр. Вернадского, 86.