Оптимизация ХТП на различных уровнях иерархии (стр. 2 из 2)

На первом подуровне, по данным, полученным на предыдущем иерархическом уровне, определяются типы особых точек в N-компонентной системе и в подсистемах меньшей размерности, проверяется соблюдение в них правила азеотропии.

На втором подуровне определяются внутренние связи и граничные особые точки областей непрерывной ректификации и разделяющих многообразий.

На третьем подуровне анализируется внутренняя структура фазовых диаграмм, и строятся семейства изомногообразий характеризующих те или иные особенности этой структуры. Так могут быть определены наличие и ход соединяющих линий поля нод-ренод (с-линий); многообразий на которых соблюдается: 1) равенство единице коэффициентов относительной летучести (единичные a-многообразия), 2) равенство единице констант фазового равновесия (единичные К-многообразия); 3) разделяющие областей одинаковых направлений нод-ренод (r-многообразия); структура областей К-упорядоченности и некоторые другие. На этом же уровне, при необходимости, определяется принадлежность точки исходного состава той или иной области непрерывной ректификации.

В результате на втором уровне иерархии устанавливается список структурных ограничений на получение возможных конечных продуктов в процессе простой непрерывной ректификации. Фактически оптимизация на втором уровне иерархии не проводится, так как результаты получают аналитическим путем, и они носят однозначный характер.

Оптимизация на третьем уровне иерархии

Третий уровень иерархии – уровень элементарного процесса разделения. Цель этого уровня установить соответствие между различными способами разделения и возможными конечными продуктами.

На первом подуровне третьего уровня определяется список продуктов получаемых посредством процесса простой непрерывной ректификации и рекомендуемые режимные параметры для каждого аппарата.

На этом уровне, исходя из ранее полученной информации о свойствах и структуре концентрационного пространства исходной разделяемой смеси, формулируется предварительный список возможных последовательностей разделения исходной смеси в простых непрерывных ректификационных колоннах, работающих в режиме бесконечной эффективности разделения.

Рассмотрим несколько примеров симплексов 4-х компонентных смесей.

а) б)

в)

г) д)

Рис.4. Примеры симплексов исходных четырех- и трехкомпонентных смесей: а – зеотропная, с α ~ соnst;

б – зеотропная, разделенная единичной α-поверхностью; в – зеотропная, с двумя одноиндексными единичными α-линиями; г – азеотропная, с разделяющей поверхностью; д – азеотропная, без разделяющей поверхности.

Следует рассмотреть шесть возможных физико-химических ситуаций пять из которых приведены на рис.4. Шестая – зеотропная смесь, в одной из составляющих которой α ~ 1.

Сгенерируем варианты для первого типа исходной подвергаемой разделению смеси (рис.5). Учтя то, что смесь зеотропная и в бинарных подсистемах α ~ соnst, используются только четкие разделения без рециклов. Очевидно, что на стадии предварительного анализа все представленные варианты равнозначны. Применять какие либо специальные методы ректификационного разделения (если α_ij >1,3) малоэффективно. Уже на этом предварительном этапе формирования набора возможных схем следует учитывать некоторые технологические соображения. Например, для не очень стойких к температуре веществ желательно, что бы время их пребывания в кубах колонн было минимальным, следует планировать применение ректификации под вакуумом для снижения температуры процесса.

Чёткие разделения

Рис.5. Варианты схем разделения для четырехкомпонентной зеотропной смеси в бинарных подсистемах которой α ~ соnst. IЗР – первое заданное разделение, IIЗР – второе заданное разделение,

ПР – промежуточное разделение

Для зеотропных смесей разделенных единичной α-поверхностью в целом возможны те же варианты, что и в предыдущем случае. Однако для точек исходного состава расположенных в различных областях К-упорядоченности (ОКУ) результаты будут несколько различаться. Наличие в симплексе единичного α-многообразия сигнализирует о не стандартной (о не С-образной) форме укладки пучка соединительной линии нод-ренод (с-линии). При сложных формах укладки с-линий возможны некоторые ограничения на возможные конечные продукты, иногда возможны и некоторые дополнительные возможности. Для получения полного множества возможных составов кубовых продуктов и дистиллятов необходимо учитывать направление ноды жидкость-пар (реноды пар-жидкость) из фигуративной точки исходного состава F и, соответственно, форму укладки с-линий на диаграмме данного типа.

а)

б)

Рис.6. Дополнительные варианты схем разделения для четырехкомпонентной зеотропной смеси с единичной α-поверхностью: а – точка исходного состава находится в области К-упорядоченности 1324; б – то же для области 1234.

Для концентрационного симплекса приведенного на рис.4, б результаты могут отличаться для случая нахождения точки исходного состава в области К-упорядоченности 1324 и области 1234. Для каждого случая возможны по три варианта четких разделений, приведенных на рис. 5, и по одному варианту нечетких разделений, приведенных на рис. 6. Их появление однозначно связано с наличием в концентрационном симплексе единичной α-поверхности.

Особенностью концентрационного симплекса приведенного на рис. 4, в является, также как и для симплекса приведенного на рис. 4, б, различное направление нод и ренод в различных частях концентрационного симплекса. Это дает возможность получать различные конечные продукты при расположении точки исходного состава в различных областях К-упорядоченности.

Концентрационные симплексы соответствующие многокомпонентным азеотропным смесям, как правило, разделены разделяющими многообразиями на несколько областей ректификации (ОНР). Такое разделение является причиной того, что при генерировании возможных схем процесса разделения следует учитывать расположение точки исходного состава в той или иной области ректификации. Возможные схемы следует генерировать либо только для той области ректификации, в которой расположена точка исходного состава, либо для всех областей.

Предположим, что для симплекса приведенного на рис.4, г, точка исходного состава находится в области ректификации 4-3-12-1. Тогда, при допущении о линейности разделяющей поверхности, для четких разделений можно сгенерировать схемы, приведенные на рис.7, а. Как видно из рисунка, ни одна из схем не заканчивается полным разделением на чистые продукты. Очевидно, что надо применить некие дополнительные средства для преодоления этой ситуации. Если такими средства выбираются из ректификационных методов разделения, их называют специальные методы ректификации. Варианты схем для случая расположения точки исходного состава находящейся в области ректификации 4-3-12-2 приведены на рис.7, б. Для азеотропных смесей также следует учитывать наличие и расположение α-многообразий и их влияние на возможность появления дополнительных вариантов схем (на рис.7 не приведены).

Сгенерируем варианты схем разделения для концентрационного симплекса четырехкомпонентной азеотропной смеси не разделенный на несколько областей ректификации и приведенной на рис. 4, д. Часть сгенерированных вариантов приведена на рис. 8. В данном симплексе результаты также существенно определяются расположением точки исходного состава.

а)

б)

Рис. 7. Варианты схем разделения для четырехкомпонентной азеотропной смеси приведенной на рис.4,г:

а – схемы для области непрерывной ректификации 4-12-3-1; б – схемы для области непрерывной ректификации 4-12-3-2. Обведены составы с затруднениями для разделения.

+ варианты, получаемые при учёте положения единичного α - многообразия

Рис. 8. Варианты схем разделения для четырехкомпонентной зеотропной смеси приведенной на рис.4, д.

Еще одна возможная физико-химическая ситуаций это зеотропная смесь с коэффициентом относительной летучести α ~ 1. Для разделения подобной смеси следует использовать либо колонну с большим числом теоретических тарелок, либо один из специальных методов ректификации, либо, вообще, не ректификационные методы разделения.

На втором подуровне третьего уровня иерархии анализируется возможность использования специальных методов ректификации для расширения гаммы конечных продуктов либо выделения заданных.