Определение оптимальных рабочих параметров процесса экстрактивной ректификации смеси ацетон-хлороформ (стр. 5 из 8)
Qкип = QD1 + QD2 + QW + Qконд1 + Qконд2 – QF – QЭА (3.2)
или в развернутом виде:
Qкип = D1CD1TD1 + D2CD2TD2 + WCWTW + D1(R1+1)r1 + D2(R2+1)r2 –
– FCFTF – PЭАСЭАТЭА. (3.3)
Потоки D1, D2 и W при заданном качестве продуктов определяются из общего материального баланса и зависят от количества и состава питания, а также от соотношения F:ЭА. Следовательно, теплосодержание верхнего и нижнего продуктов основной колонны и дистиллята боковой секции также зависят от этих величин.
Энергозатраты на проведение процесса будут определяться температурой и расходом экстрактивного агента, подаваемого в колонну, флегмовыми числами в основной колонне (R1) и в боковой секции (R2). Величины R1 и R2 зависят от профиля концентраций в колонне, на формирование которого в данном случае оказывает влияние не только положение тарелок подачи исходной смеси и ЭА, его температура и расход, но и положение тарелки отбора парового потока в боковую секцию и его количество.
3.2. Описание технологической схемы процесса.
Технологическая схема состоит из одной сложной колонны с боковой укрепляющей секцией (рис.3.1).
Рис.3.1. Экстрактивная ректификация смеси ацетон-хлороформ в одной сложной колонне с боковой укрепляющей секцией.
В верхнюю часть сложной колонны подается ЭА, а в среднюю часть - исходная смесь ацетон–хлороформ. В качестве дистиллята основной колонны отбирается практически чистый ацетон. Ниже тарелки питания происходит отбор парового потока в боковую секцию. Поток жидкости из нижней части боковой секции возвращается в колонну на ту же тарелку. В дистилляте боковой секции выделяется хлороформ. ДМФА извлекается в кубе основной колонны и возвращается рециклом в ее верхнее сечение. Для восполнения потерь ЭА предусмотрена подача некоторого свежего количества ДМФА.
3.3. Моделирование фазового равновесия в системе ацетон – хлороформ – ДМФА.
Для расчета оптимальных рабочих параметров процесса необходимо иметь данные о фазовом равновесии в исследуемой системе. Физико – химические свойства чистых веществ приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1.
Физико – химические свойства компонентов.
| Компонент | Структурная | Молекулярная | Ткип, | Тпл, |
| формула | масса | °C | °C | |
| Ацетон | CH3COCH3 | 58,08 | 56,1 | -94,6 |
| Хлороформ | CHCl3 | 119,38 | 61,1 | -63,5 |
| ДМФА | HCON(CH3)2 | 73,09 | 153,0 | -61,0 |
В смеси ацетон – хлороформ имеется азеотроп с максимумом температуры кипения (Тазкип=63,93ºC, содержание ацетона 22% мас.) [21]. Равновесие жидкость-пар в системе ацетон-ДМФА экспериментально исследовано в работе [22]. Для моделирования фазового равновесия использовали уравнение NRTL, параметры которого приведены в [23].
3.4. Расчет оптимальных рабочих параметров.
При фиксированном количестве, составе, температуре исходной смеси энергозатраты в кубе сложной колонны с боковой секцией определяются несколькими параметрами, а именно: флегмовыми числами в основной колонне и боковой секции, температурой и расходом экстрактивного агента.
Флегмовые числа в основной колонне и боковой секции зависят от количества потока, отбираемого в боковую секцию и положения тарелок питания и отбора.
В колонну экстрактивный агент обычно подают при температуре, близкой к температуре кипения дистиллята, которым в нашем случае является практически чистый ацетон. Проведенные ранее расчеты для экстрактивной ректификации данной смеси промышленного состава показали, что с увеличением температуры подачи в колонну ДМФА энергозатраты в кипятильнике снижаются. Например, при увеличении ТЭА с 50 до 60ºC сокращение энергозатрат составляет около 4%, а при увеличении ТЭА с 60 до 70ºC- уже около 3%. При дальнейшем росте ТДМФА снижение энергозатрат на каждые 10ºC еще меньше. С другой стороны, чем при более высокой температуре ДМФА подается в экстрактивную колонну, тем меньше тепла можно получить за счет его охлаждения. Таким образом, для точного определения температуры подачи ДМФА в колонну необходимо провести технико-экономический расчет схемы. На данном этапе для снижения размерности задачи оптимизации мы приняли ТЭА=60ºC, что позволит использовать его тепло в производственных нуждах, например для подогрева исходной смеси.
Таким образом, для обеспечения минимальных энергозатрат в кубе основной колонны нам необходимо найти оптимальное сочетание следующих рабочих параметров процесса:
1) удельного расхода экстрактивного агента;
2) положения тарелок питания и отбора в боковую секцию;
3) количества потока, отбираемого в боковую секцию.
Так как все эти параметры взаимосвязаны между собой, мы проводили расчеты в несколько этапов. Количество исходной смеси составило 100 кг/ч, концентрация ацетона в питании 22% массовых ( азеотропный состав). Эффективность основной колонны- 34 т.т., эффективность боковой секции- 10 т.т. Концентрация ацетона в продуктовом потоке - 99,5 % мас., хлороформа- 99,9 % мас., ДМФА- 99,9 % мас. Расчет фазового равновесия проводили по модели NRTL, параметры которой приведены в [18].
Сначала мы провели расчет, целью которого было определение оптимального положения тарелок питания и отбора при соотношении F:ЭА = 1:3,5 и количестве БО=150 кг/час.
Результаты расчета представлены в Приложении 1 и таблице 3.2.
Таблица 3.2.
Определение оптимального положения тарелок питания и отбора в сложной колонне.
F:ЭА = 1:3,5; БО=150 кг/ч; TЭА=60ºC.
| NЭА/NF/NБО | R1 | R2 | Тепловые нагрузки,МДж/ч | ||
| Qконд1 | Qконд2 | Qкип | |||
| 4/11/23 | 1,96 | 1,50 | -32,6 | -48,2 | 153,3 |
| 4/11/24 | 1,42 | 1,74 | -26,8 | -52,9 | 152,1 |
| 4/11/25 | 1,23 | 1,99 | -24,7 | -57,7 | 154,8 |
| 4/12/24 | 1,55 | 1,72 | -28,1 | -52,5 | 153,1 |
| 5/10/24 | 1,82 | 1,69 | -31,1 | -51,8 | 155,3 |
| 5/10/25 | 1,54 | 1,95 | -27,6 | -56,9 | 157,3 |
| 5/11/24 | 1,58 | 1,72 | -28,4 | -52,4 | 153,3 |
| 5/11/25 | 1,26 | 1,99 | -24,9 | -57,6 | 155,0 |
| 5/12/25 | 1,22 | 2,00 | -24,4 | -57,7 | 154,6 |
| 6/11/24 | 2,07 | 1,65 | -33,9 | -51,1 | 157,4 |
Видно, что флегмовое число в основной колонне зависит как от протяженности экстрактивной зоны, так и от положения тарелки отбора в БС. Флегмовое число в БС определяется главным образом уровнем отбора в нее потока из основной колонны. Причем, чем ниже осуществляется отбор, тем больше R в боковой колонне. Таким образом, из таблицы 3.2 видно, что наименьшие энергозатраты обеспечиваются при NЭА/NF/NБО= 4/11/24.
Далее мы исследовали влияние на энергозатраты количества отбираемого в боковую секцию потока при фиксированном соотношении F:ЭА=1:3,5, причем мы рассмотрели несколько наборов NЭА/NF/NБО. Результаты расчетов представлены в Приложении 2, таблицах 3.3 и 3.4.
Таблица 3.3.
Влияние количества потока, отбираемого в боковую секцию на энергозатраты.
TЭА= 60ºC, F: ЭА = 1: 3,5, NЭА/NF/NБО= 4/12/24.
| Количество | R1 | R2 | Тепловые нагрузки,МДж/ч | ||
| БО, кг/ч | Qконд1 | Qконд2 | Qкип | ||
| 150 | 1,55 | 1,72 | -28,1 | -52,5 | 153,1 |
| 145 | 1,69 | 1,63 | -29,7 | -50,7 | 152,9 |
| 140 | 1,85 | 1,54 | -31,5 | -48,9 | 152,8 |
| 135 | 2,03 | 1,44 | -33,4 | -47,0 | 152,9 |
| 130 | 2,25 | 1,34 | -35,9 | -45,0 | 153,4 |
| 125 | 2,52 | 1,23 | -38,8 | -42,9 | 154,3 |
| 120 | 3,27 | 1,07 | -47,1 | -39,9 | 159,5 |
Из таблицы 3.3 видно, что с уменьшением количества потока, отбираемого в боковую секцию, энергозатраты в кубе колонны уменьшаются и достигают минимального значения при БО=140 кг/ч, а затем начинают возрастать. При уменьшении БО со 150 до 140 кг/ч происходит незначительное увеличение флегмового числа в основной колонне и Qконд1 и уменьшение флегмового числа в боковой секции и Qконд2. И в результате мы имеем снижение энергозатрат в кубе основной колонны.
При дальнейшем уменьшении количества БО со 140 до 120 кг/ч происходит значительный рост флегмового числа в основной колонне, и Qконд1 увеличивается на 15,6 МДж/ч. Qконд2 при этом снижается всего лишь на 9 МДж/ч. В результате мы имеем увеличение Qкип на 6,7 МДж/ч. Для большей наглядности по результатам расчетов, представленных в предыдущей таблице, построен график зависимости энергозатрат от количества потока, отбираемого в боковую секцию (см. рис.3.2.)
Рис.3.2. Зависимость энергозатрат от количества потока, отбираемого в боковую секцию.
TЭА= 60ºC, F: ЭА = 1: 3,5, NЭА/NF/NБО= 4/12/24.
Таблица 3.4.
Оптимальное количество БО в зависимости от положения тарелок питания и отбора.
TЭА=60ºC, F:ЭА=1:3,5.
| Оптимальное | Тепловые нагрузки,МДж/ч | |||||
| NЭА/NF/NБО | количество | R1 | R2 | Qконд1 | Qконд2 | Qкип |
| БО, кг/ч | ||||||
| 4/10/24 | 120 | 1,91 | 1,22 | -32,1 | -42,7 | 147,3 |
| 4/11/23 | 160 | 1,65 | 1,67 | -29,2 | -51,5 | 153,2 |
| 4/11/24 | 120 | 1,91 | 1,22 | -32,1 | -42,7 | 147,3 |
| 4/11/25 | 142 | 1,24 | 1,85 | -24,8 | -55,0 | 152,3 |
| 4/12/24 | 140 | 1,85 | 1,54 | -31,5 | -48,9 | 152,8 |
| 5/10/24 | 115 | 2,56 | 1,06 | -39,3 | -39,7 | 151,5 |
| 5/10/25 | 138 | 1,57 | 1,74 | -28,4 | -52,9 | 153,7 |
| 5/11/23 | 160 | 1,88 | 1,64 | -31,8 | -50,9 | 155,2 |
| 5/11/24 | 118 | 2,25 | 1,15 | -35,8 | -41,3 | 149,6 |
| 5/11/25 | 141 | 1,29 | 1,83 | -25,2 | -54,6 | 152,2 |
| 5/12/25 | 141 | 1,28 | 1,83 | -25,2 | -54,6 | 152,2 |
| 6/11/24 | 150 | 2,07 | 1,65 | -33,9 | -51,1 | 157,4 |
Из таблицы 3.4 видно, что оптимальная величина БО в значительной степени зависит от уровня отбора в БС. При фиксированном положении тарелок подачи питания и ЭА наименьшая оптимальная величина БО наблюдается при отборе парового потока с 24 т. т.