Термодинамико-топологический анализ фазовых диаграмм как основа синтеза схем разделения (стр. 1 )

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московская государственная академия

тонкой химической технологии имени

,

Термодинамико-топологический анализ фазовых диаграмм как основа синтеза схем разделения

Учебное пособие

для самостоятельной работы студентов

Москва

2004 г.

УДК 661.7 (0.75.8)

,

Термодинамико-топологический анализ фазовых диаграмм
как основа синтеза схем разделения.

Учебное пособие для самостоятельной работы студентов.

-М.: МИТХТ им. , 2004. - 90 с.

Данное учебное пособие предназначено для самостоятельной работы студентов, обучающихся в магистратуре по направлению 550800 «Химическая технология и биотехнология» (магистерские программы 550801 «Химическая технология продуктов основного органического и нефтехимического синтеза», 550809 «Химическая технология топлива и газа», 550819 «Теоретические основы химической технологии).

Пособие включает изложение основного лекционного материала, содержащего основные понятия термодинамики парожидкостного равновесия многокомпонентных систем и алгоритм термодинамико-топологического анализа структур фазовых диаграмм, а также основные подходы к синтезу принципиальных технологических схем разделения многокомпонентных неидеальных смесей на основе термодинамико-топологического анализа структур фазовых диаграмм. Рассмотрены различные разделительные комплексы, вопросы их стационарной работы и выбора энергосберегающих схем.

© МИТХТ им.

Содержание

1. Подсистемы химико-технологической системы. Классификация свойств. Диаграммы состав - свойство...................................................................................................................................................................................... 4

2. Термодинамические закономерности и моделирование фазовых равновесий 15

2.1. Термодинамические основы фазовых равновесий в многокомпонентных неидеальных системах................................................................................................................................................................................ 17

2.2. Математическое моделирование фазовых равновесий.................................................... 23

3. Локальные закономерности структур фазовых диаграмм..................................................... 25

3.1. Процессы, протекающие в поле градиента скалярного свойства........................... 25

3.2. Процесс равновесного открытого испарения............................................................................ 28

4. Нелокальные закономерности диаграмм фазового равновесия (на примере систем "жидкость-пар")................................................................................................................................................................................................ 33

5. Классификация диаграмм и их преобразования при варьировании давления (температуры)............................................................................................................................................................................................................ 37

5.1. Классификация диаграмм трех - и четырехкомпонентных систем............................. 37

5.2. Тангенциальная азеотропия и биазеотропия.............................................................................. 40

6. Уравнение процесса ректификации, его анализ. Синтез принципиальных схем ректификации............................................................................................................................................................................................................ 47

6.1. Уравнение ректификации. Векторные поля рабочих нод и движущей силы процесса 47

6.2. Общие подходы к синтезу технологических схем разделения................................... 52

6.3. Методы разделения и принципы их выбора.................................................................................. 54

7. Принцип перераспределения полей концентраций между областями разделения и приемы его реализации.............................................................................................................................................................................. 57

7.1. Реализация принципа перераспределения полей концентраций в процессах ректификационного разделения жидких смесей за счет варьирования внешних параметров........................................................................................................................................................................................................ 58

7.2. Реализация принципа перераспределения полей концентраций при разделении смесей с различными особенностями фазового поведения......................................................................... 64

7.3. Реализация принципа перераспределения полей концентраций при сочетании различных процессов............................................................................................................................................................................ 66

7.4. Реализация принципа перераспределения полей концентраций в процессах с разделяющими агентами......................................................................................................................................... 69

8. Выявление условий работоспособности простейшего комплекса.............................. 74

8.1. Тройные системы.................................................................................................................................................. 75

8.2. Влияние состава исходной смеси на работоспособность комплексов............ 82

8.3. Четырехкомпонентные смеси.................................................................................................................... 84

Литература............................................................................................................................................................................... 87

1. Подсистемы химико-технологической системы.
Классификация свойств. Диаграммы состав - свойство

Со времени зарождения химическая технология как область знаний прошла ряд этапов: этап сбора и накопления эмпирических знаний; логико-аналитический этап с формированием таких областей знаний, как общая химическая технология, процессы и аппараты химической технологии, управление химико-технологическими процессами, химическое материаловедение. Сегодня химическая технология вошла в третий этап – этап математического моделирования, представляющий собой единство качественных и количественных методов. На этом этапе в полном соответствии с законами развития технических наук выделилось фундаментальное ядро – «Теоретические основы химической технологии». Здесь изучаются в единстве механические, физические, химические и биологические явления в химико-технологических системах на фоне действия психологических и социальных факторов. Диапазон масштабов процессов, изучаемых в этой области знаний, изменяется от нано - до мега-масштаба. Усложнение объектов технологии, постепенный переход от технологии с любыми затратами к оптимальной, экономически выгодной и экологически безопасной технологии, а также прогресс в фундаментальных областях знаний способствовали переходу от эвристических правил к формулировке принципов химической технологии. Любая технология базируется на определенном наборе принципов. Основная часть принципов является транскрипцией фундаментальных законов природы, которая представляет собой обработку естественно-научных понятий в терминах технологического языка.

В настоящее время формулирование, осмысление и использование принципов позволяет преодолевать сложности математического описания химико-технологической системы. При этом необходимо учитывать, что для технологий, обладающих разной степенью обусловленности, используются, как правило, свои специфические принципы.

По степени обусловленности все химические технологии и области знаний, на которых они базируются, можно подразделить на плохо обусловленные, хорошо обусловленные и занимающие промежуточное положение. Для первых характерен рецептурный подход и активное использование так называемых «моделей ошибок», построенных на принципе внешнего изоморфизма.

Здесь центр тяжести смещен в область планирования эксперимента и статистической обработки результатов различными функциями, в частности, полиномами. При разработке плохо обусловленных технологий превалирует эмпирический подход. В хорошо обусловленных технологиях и областях знаний доминируют содержательные модели, которые базируются на принципе внутреннего изоморфизма модели и объекта и в которые закладываются глубокие представления о характере межмолекулярных взаимодействий, строгие термодинамические, кинетические, математические закономерности. Здесь наиболее ярко проявляется необходимость привлечения при создании технологий фундаментальных законов химии, физики, математики, сформулированных в виде технологических принципов.

Химическая технология в целом может рассматриваться как химико-технологическая система (ХТС), наиболее существенными признаками которой являются следующие:

1)  система создается человеком из различного вида сырья и разного оборудования;

2)  система является сложной и содержит как простые, повторяющиеся элементы, так и сильно различающиеся;

3)  система является полуавтоматической (ею управляют как автоматы, так и человек);

4)  воздействие окружающей среды на систему носит стохастический (случайный) характер;

5)  каждой системе присущи внутренние противоречия ее элементов и всей системы в целом.

Любая система состоит из подсистем, которые могут быть исследованы самостоятельно при ее декомпозиции (рис.1.1).

Химическая технология базируется на различных областях знаний, имеющих свою логику, свой язык и опирающихся на свои присущие им законы развития. Если рассматривать области знания как некоторые множества, то технология как система есть результат пересечения этих множеств (подсистем) с выделением классов эквивалентности технологий в зависимости от доминирования тех или иных знаний.