СРАВНЕНИЕ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИНМАЛЬНОГО ФЛЕГМОВОГО ЧИСЛА ДЛЯ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ ЗЕОТРОПНОЙ СМЕСИ

Ректификация является одним из самых энергетически затратных процессов разделения. Вместе с тем это самый распространенный в российской и зарубежной промышленности метод разделения многокомпонентных жидких смесей. По универсальности ему нет равных. Поэтому актуальным является поиск решений, которые позволят снизить энергопотребление.

При проектной постановке задачи наибольшее значение имеет режим минимальной флегмы, поскольку наиболее экономичные реальные режимы ректификации по своим параметрам близки к режиму минимальной флегмы. Существует множество приближенных методов расчета, предложенных российскими и зарубежными авторами, но самым распространенным является метод Андервуда [3-7]. Данный метод содержит ряд допущений, а именно, относительные летучести компонентов и мольные потоки пара и жидкости в секциях колонны полагаются постоянными. Рассматривается простая колонна с двумя продуктовыми потоками и с одним потоком питания. Это делает данный метод неприменимым для неидеальных, даже зеотропных смесей, поскольку в общем случае относительные летучести компонентов зависят от состава. Однако в рамках принятых допущений метод Андервуда является строгим. Реализацию данного метода мы использовали в коммерческом программном продукте компании Aspentech – Aspen One. В дальнейшем метод 1.

На сегодня точным считается метод, предложенный в работе [8] (метод 2). Данный метод основан на работах Р.Ю. Данилова, Ф.Б. Петлюка, Л.А.  Серафимова и А.А. Кондратьева  [8-12]. Важным шагом к его созданию стало понятие пучка траекторий ректификации, введенное в работах [1-2]. Авторами [8] был составлен алгоритм, нашедший отражение в программном продукте DistillDesigner, применяемом для данной работы.

Объектом исследования выбрана четырехкомпонентная зеотропная система: бензол (1) – толуол (2) – этилбензол (3) – анилин (4), компоненты расположены в порядке увеличения температуры кипения компонента. Расчет проводился при атмосферном давлении. Для описания парожидкостного равновесия использовали модель NRTL, приведенная в Aspen One, параметры бинарного взаимодействия, так же были взяты из баз программного комплекса.

Следующим этапом после исследования фазового поведения системы был синтез технологических схем. В процессе синтеза мы рассматривали использование только простых двухсекционных ректификационных колонн, работающих в режимах четкого разделения и режиме первого класса фракционирования. В итоге мы получили 5 принципиальных технологических схем, приведенных на Рисунке 1.

Кругами условно обозначены аппараты в технологической схеме; F – поток исходной смеси; 1 – 4 – продуктовые потоки соответствующего компонента смеси.

Для проведения сравнения результатов расчетов необходимо определить критерий оптимальности. Как известно, в общем случае поток паровой фазы в ректификационной колонне изменяется по величине даже для идеальных смесей. Для неидеальных смесей это изменение составляет существенную величину. В связи с этим для сравнения энергетических затрат различных схем процесса ректификации все расчеты должны производится на одном и том же уровне. Такими уровнями могут быть уровень конденсатора или уровень кипятильника. При использовании уровня конденсатора в режиме минимального флегмового числа энергетические затраты на разделение в ректификационной колонне можно определить с помощью уравнения:

где λ – удельная теплота полной конденсации парового потока, D – количество дистиллята, Rmin – минимальное флегмовое число.

В справочной литературе данные о теплотах испарения (конденсации) смесей, как правило, отсутствуют, а и их определение является сложной задачей. Поэтому в качестве критерия оптимизации в дальнейшем будем использовать величину парового потока на уровне конденсатора. Данная величина для отдельной колонны имеет вид:

Суммарное значение по комплексу рассчитывается аналогично формуле 3. Итоговые результаты представлены на диаграмме ниже.

На диаграмме показано распределение относительной разницы в заданных диапазонах. Можно увидеть, что метод 2 показывает значения значительно ниже чем метод 1, что предварительно позволяет сказать, что этот метод позволит провести расчет комплекса с лучшим начальным приближением, что позволит спроектировать технологическую схему с наименьшими энергетическими затратами. В дальнейшей работе это утверждение будет проверено.

 

Список литературы

1.     Serafimov, L. A. Rectification of multicomponent  mixtures. III. Local characteris-tics of the trajectories of continuous rectification processes at finite reflux ratios / L. A. Serafimov, V. S. Timofeev, M. I. Balashov // Acta Chim. Acad. Sci. Hung. – 1973. – V. 75. – № 3. – P. 235-254.

2.     Serafimov, L. A. Rectification of multicomponent mixtures. IV. Non-local characteristics of continuous rectification trajectories for ternary mixtures at finite reflux ratio / L. A. Serafimov, V. S. Timofeev, M. I. Balashov // Acta Chim. Acad. Sci. Hung. – 1973. – V. 75. – № 3. – P. 255-270.

3.     Underwood, A. J. V. The theory and practice of testing stills / A. J. V. Under-wood // Trans. AIChE. – 1932. – V.10. – P. 112–152.

4.     Underwood, A. J. V. Fractional distillation of ternary mixtures. Part I. / A. J. V. Underwood // J. Inst. Pet. – 1945.– V. 31. – № 256. – P. 111-118.

5.     Underwood, A. J. V. Fractional distillation of ternary mixtures. Part II. / A. J. V. Underwood // J . Inst. Pet. – 1946.– V. 32. – № 274. – P. 598-613.

6.     Underwood, A. J. V. Fractional distillation of multicomponent mixtures calcu-lation of minimum reflux ratio / A. J. V. Underwood // J. Inst. Pet. – 1946. – V. 32. – № 274. – P. 614-626.

7.     Underwood, A. J. V. Fractional distillation of multicomponent mixtures / A. J. V. Underwood // Chem. Eng. Prog.– 1948. – V. 44. – № 8. – P. 603-614.

8.     Данилов, Р. Ю. Режим минимальной флегмы в простых ректификационных колоннах / Р. Ю. Данилов, Ф. Б. Петлюк, Л. А. Серафимов // Теорет. основы хим. технологии. – 2007. – Т. 41. – № 4. – С. 394-406.

9.     Кондратьев, А. А. Расчет и использование режима минимального орошения при исследовании вопросов ректификации : автореф. дис. … канд. техн. наук / А. А. Кондратьев. – М., 1963. – 23 с.

10. Петлюк Ф.Б. Возможные варианты разделения и режим минимальной флегмы для многокомпонентных азеотропных смесей / Ф. Б. Петлюк, Р. Ю. Данилов // Теорет. основы хим. технологии. – 1999. – Т. 33. – № 6. – С. 629-642.

11. Петлюк, Ф. Б. Возможные составы продуктов ректификации трехкомпонентных азеотропных смесей при минимальной флегме / Ф. Б. Петлюк, Е. И. Виноградова, Л. А. Серафимов // Теорет. основы хим. технологии. – 1984. – Т. 18. – № 2. – С. 147-154.

12. Петлюк, Ф. Б. Траектории ректификации для трехкомпонентных азеотропных смесей при минимальной флегме / Ф. Б. Петлюк, Р. Ю. Данилов // Теорет. основы хим. технологии. – 1998. – Т. 32. – № 6. – С. 604- 616.