Разработка энергосберегающей технологии ректификации циклических углеводородов (стр. 5 из 13)
Другой задачей является исследование изменения структуры оптимальной технологической схемы в зависимости от состава исходного питания.
Расчетно – экспериментальная часть
Объектом исследования была выбрана трехкомпонентная смесь: циклогексан - бензол – этилбензол, компоненты которой входят в состав пироконденсата, а также получаются в процессе сухой перегонки угля с целью выделения бензола. Данная смесь содержит бинарный гомогенный азеотроп с минимумом температуры кипения на стороне бензол–циклогексан. Разделение азеотропной пары производят с применением специальных методов, в частности экстрактивной ректификации. В качестве разделяющего агента предложено использовать анилин [36]. Свойства индивидуальных компонентов и данные по азеотропии представлены в таблицах 2, 3 и 4.
Табл. 2. Свойства чистых компонентов
| Формула | Ткип, ◦С | Ткрит, ◦С | Ркрит, кг/см2 | ρ, кг/м3 | Мол. масса г/моль | |
| Бензол | С6Н6 | 80,10 | 288,90 | 49,92 | 883,92 | 78,11 |
| Циклогексан | С6Н12 | 80,74 | 280,39 | 41,54 | 782,65 | 84,16 |
| Этилбензол | С8Н10 | 136, 19 | 344,00 | 36,80 | 870,96 | 106,17 |
| Анилин | C6H5NH2 | 184,35 | 425,85 | 54,14 | 1025,5 | 93,13 |
Табл. 3. Коэффициенты уравнения Антуана для описания давления паров чистых компонентов (lnP=A-B/(T+C), T–K, P–mm Hg)
| А | В | С | |
| Бензол | 15,9008 | 2788,51 | -52,36 |
| Циклогексан | 15,7527 | 2766,63 | -50,50 |
| Этилбензол | 16,0195 | 3279,47 | -59,95 |
| Анилин | 16,6748 | 3857,52 | -73,15 |
Табл.4. Данные об азеотропии (P = 1атм)
| Таз, ◦С | Х2аз,% мол. | Тип азеотропа | |
| Бензол-циклогексан | 77,6 | 46 | гомогенный |
На рис.13 представлен портрет фазовой диаграммы исследуемый смеси.
Рис.13. Фазовая диаграмма смеси циклогексан – бензол – этилбензол
В смеси ЦГ-Б-ЭБ азеотроп имеет минимальную температуру и является особой точкой типа неустойчивый узел. В концентрационном симплексе один пучок дистилляционных линий опирается на точки азеотропа и тяжелокипящего компонента.
Рассмотрим ход альфа-линий в смеси азеотропообразующих компонентов в присутствии разделяющего агента (рис.14. а) и расположение единичного альфа-многообразия в концентрационном симплексе исследуемой смеси (рис.14. б).
Рис.14. а - α - многообразия для системы ЦГ-Б - А при давлении 0.3 кг/см2.
б - единичное альфа–многообразие (αЦГ-Б) в системе циклогексан-бензол-этилбензол-анилин
На рис.14. б единичное альфа–многообразие делит симплекс на две области. Область α<1 прилегает к легкокипящему циклогексану и занимает относительно небольшую площадь концентрационного симплекса. Здесь максимальным коэффициентом распределения обладает бензол. В области α>1 напротив максимальным коэффициентом распределения обладает циклогексан, при этом, если исходный состав питания принадлежит данной области, циклогексан может быть выделен в качестве дистиллата экстрактивной колонны.
Для описания парожидкостного равновесия системы нами была выбрана термодинамическая модель локальных составов NRTL. Параметры бинарного взаимодействия представленны в табл.5.
Таблица.5. Параметры уравнения NRTL
| Бинарная пара |  |  |  |
| Бензол-этилбензол | 1713,5 | -2075,3 | -0,038952 |
| Бензол-циклогексан | 258,95 | -122,92 | 0,097010 |
| Бензол-анилин | -105,83 | 11,564 | -0,90000 |
| Циклогексан-этилбензол | -14,769 | 33,026 | 0,90000 |
| Этилбензол-анилин | 101,15 | 160,57 | 0,80029 |
| Циклогексан-анилин | 244,02 | 310,89 | -0,91797 |
Уравнение NRTL (non-random two-liquid – неслучайное двужидкостное) дает хорошие результаты для широкого круга систем, в частности для смесей в высокой степени неидеальных и для частично несмешивающихся систем.
Выражение для коэффициента активности имеет вид:
, (когда единицей измерения является °K); 
Для каждой бинарной пары требуется три параметра (
, 
, 
), которые могут быть расширены включением в них температурной зависимости.Концепция локальных составов позволяет учитывать структуру раствора, свойства чистых веществ и межмолекулярные взаимодействия разных типов (слабые неспецифические и сильные специфические). Согласно этой теории раствор рассматривается как упорядоченная структура. Для бинарной смеси можно выделить молекулы двух сортов, при этом молекула одного вида находится в окружении молекул другого вида. Зависимость между концентрациями компонентов внутри такого образования с общей молярной концентрацией компонентов в растворе описывается соотношением, учитывающим вероятность возникновения связей между разноименными молекулами.
Все расчеты были проведены с использованием программно-ориентированного комплекса PRO/II. Данная программа предназначена для проектно-поверочного расчета и поверочного расчета химико-технологических процессов и, в частности, процесса ректификации. Программа включает широкий набор методов, позволяющих создавать модели для широкого круга систем, использующихся в различных отраслях химической промышленности. В программе совместно с термодинамическими методами могут также быть использованы транспортные свойства индивидуальных соединений и их смесей. Последние включают в себя вязкости паров и жидкости, теплопроводности паров и жидкости и диффузию жидкости. Расчет поверхностного натяжения на границе пар-жидкость, хотя это и не транспортное свойство, также относится к этой группе. Транспортные свойства находят применение в строгих расчетах теплопередачи, расчетах перепадов давления, расчетах колонн с ситчатыми тарелками и насадочных колонн.
Для работы программы PRO/II требуется: IBM совместимый компьютер с процессором 80386 и выше, имеющий 4 и более мегабайта оперативной памяти. Операционная система MS Windows версия 3.1, Windows-95 или более поздняя версия.
Отчет по колонне включает в себя: суммарные данные по колонне. Суммарные данные по колонне содержат температуры, давления, расходы, тепловые нагрузки по каждой тарелке, информацию по потокам сырья и продуктов и общие тепловой и материальный балансы. По умолчанию расходы выводятся в мольных единицах. Путем выбора соответствующего варианта может быть выведен дополнительный суммарный отчет в массовых, объемных или газовых объемных единицах: молекулярные веса, реальные плотности, реальные объемные расходы и транспортные свойства, энтальпии потоков и стандартные плотности жидкости, К.П.Д. тарелок и/или К.П.Д. тарелок для отдельных компонентов, диаграмма температур, давлений, мольных расходов, расходов сырья, и продуктов и тепловых нагрузок нагревателей/холодильников, суммарная нагрузка тарелок, отчет по составам, таблица извлечения компонента, отчет по сепаратору, отчет по теплообменнику.
Синтез схем экстрактивной ректификации.
Схемы, содержащие простые двухотборные колонны.
Исследуемая смесь циклогексан – бензол – этилбензол является многокомпонентной, следовательно, ввиду поливаринтности процесса ректификации для ее разделения возможен ряд структур технологических схем. Для синтеза вариантов разделения используем методику, предложенную в [68], основанную на графовом представлении схем ректификации.
К настоящему времени сложилась классификация схем экстрактивной ректификации. Все возможные варианты разделения можно разбить на две большие группы [69]. К первой группе относятся схемы, в которых уже на первом этапе разделения применяется экстрактивный агент и, соответственно, снимаются термодинамико–топологические ограничения на составы продуктовых фракций. Вторая группа характеризуется предварительным фракционированием исходной многокомпонентной смеси вплоть до выделения фракции азеотропообразующих компонентов. Затем эту фракцию разделяют экстрактивной ректификацией.