WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

На правах рукописи

ХАХИН ЛЕОНИД АЛЕКСЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ЭНТРОПИЙНОЙ ОЦЕНКИ РАБОТЫ

РЕКТИФИКАЦИОННЫХ КОЛОНН

И ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ

05.17.04 - Технология органических веществ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2009

Работа выполнена на кафедре химии и технологии основного органического синтеза государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Фролкова Алла Константиновна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Кулов Николай Николаевич доктор химических наук, профессор Тойкка Александр Матвеевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Российский химикотехнологический университет им. Д.И.

Менделеева»

Защита состоится 17 ноября 2009 года в 14 в аудитории М-119 на заседании диссертационного совета Д 212.120.02 при Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова по адресу: 119571, г.Москва, пр-т Вернадского, 86.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Московской государственной академии тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова по адресу 119571, г. Москва, пр-т Вернадского, 86.

Автореферат размещен на сайте МИТХТ им. М.В. Ломоносова www.mitht.ru октября 2009 года и разослан октября 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н. Е.А. Анохина

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Как известно, любое массовое производство органических веществ построено по принципу триады, состоящей из блоков подготовки сырья, химического превращения сырья и разделения многокомпонентной реакционной смеси. Основным процессом в блоке разделения является ректификация, на долю которой приходится до 70% энергоресурсов, используемых в производстве. В связи с этим особое значение придается вопросам создания энергосберегающих технологий и, в частности, разработке универсальных и удобных для использования критериев оценки эффективности отдельной ректификационной колонны, технологической схемы или функционального комплекса. Создание такого критерия должно охватывать как параметрическую, так и структурную оптимизацию и обеспечивать возможность его применения в проектных и поверочных задачах, использующих разные наборы независимых переменных. В качестве такого критерия может быть использовано производство энтропии, которым сопровождается любой процесс разделения или совокупность процессов.

Целью работы является разработка критерия, позволяющего оптимизировать уровень (или несколько уровней) подачи питания в ректификационную колонну непрерывного действия, а также сравнивать линейные технологические схемы и функциональные комплексы, используемые для разделения многокомпонентных смесей различной физико-химической природы.

Для достижения указанной цели необходимо решить ряд задач:

1) проанализировать подходы к определению степеней свободы различных химико-технологических объектов и выявить наборы переменных, определяющих решение проектной, проверочной, проектно-поверочной задач при расчете ректификации;

2) исследовать простейшие фазовые процессы как составляющие процесса ректификации и выявить их общие закономерности;

3) изучить различные аспекты, связанные с фазовым состоянием исходной смеси и уровнем подачи питания, которые могут выступать как оптимизационные параметры, определяющие энергоемкость процесса и схемы в целом;

4) предложить критерий и методику оценки эффективности химико - технологических объектов.

При выполнении диссертационной работы использованы фундаментальные положения термодинамики гетерогенных систем, балансовые уравнения процесса ректификации, вычислительный эксперимент, базирующийся на применении адекватных математических моделей и современных программных продуктов.

Научная новизна.

1. Показана инвариантность числа степеней свободы относительно всех типов задач расчета ректификации (проектного, поверочного, проектноповерочного). Для квалифицированного анализа химико-технологических объектов и постановки вычислительных экспериментов определена вариантность (малая; большая; вариантность, учитывающая конструкционные переменные) простейших фазовых процессов, различных элементов ректификационной колонны и колонны в целом, функциональных комплексов.

2. С применением координат конфигурационного пространства доказана идентичность нестационарных процессов открытого равновесного испарения (конденсации) и стационарного процесса ректификации. Выявлена полистационарность процессов, обусловленная фазовым равновесием (наличием разного числа аттракторов в структуре фазовой диаграммы).

3. Предложен новый универсальный критерий оценки термодинамической эффективности химико-технологических объектов – производство энтропии, позволяющий использовать методы параметрической и структурной оптимизации ректификационных колонн, технологических схем и комплексов. Показано, что оптимальному расположению уровня подачи питания в ректификационную колонну отвечает экстремальное значение критерия.

Практическая значимость.

1. Разработана методика определения оптимального расположения уровня подачи питания (одного или нескольких), которая проиллюстрирована на примере разделения конкретных бинарных и тройных смесей разной природы.

2. Предложенный критерий производства энтропии может быть рекомендован для сравнения различных вариантов технологических схем и функциональных комплексов, базирующихся на принципе перераспределения полей концентраций между областями ректификации.

3. Результаты диссертационной работы включены в курс лекций «Физикохимические основы процессов разделения», читаемый в рамках программ подготовки бакалавров и магистров по направлению 240100 «Химическая технология и биотехнология».

Работа выполнялась в рамках грантов РФФИ 05-03-32958а, 08-03-00976а и 07-08-00155а.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии»

(Волгоград, 2008), на конференции молодых ученых МИТХТ им. М.В. Ломоносова (Москва, 2007 г.) Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа включает введение, глав, приложения, а также библиографию из 170 источников. Работа изложена на 227 стр., включая приложения, содержит 59 рисунков и 31 таблицу.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и задачи, приведены основные результаты.

В первой главе представлен краткий обзор основных работ, посвященных термодинамической оптимизации процесса ректификации, и определено место настоящей работы в общей проблеме оптимизации химико–технологических процессов. Детальный анализ публикаций по различным аспектам указанной проблемы приводится в каждой последующей главе.

Во второй главе рассмотрена вариантность (число степеней свободы) простейших фазовых процессов с различной организацией массовых и энергетических потоков, т.е. с различным числом входов и выходов. Такие системы являются частью сложных химико-технологических объектов. Для них уравнение большой вариантности ( ), включающее интенсивные, экстенсивные и конструкционные переменные, имеет вид:

где A - функция числа входящих массовых потоков; B - функция состояния потоков; n - число компонентов в системе.

Рассмотрены вариантности различных элементов ректификационной колонны: равновесных ступеней с потерей тепла в окружающую среду, с вводом материального потока, с выводом третьего равновесного потока; полного конденсатора, парциального равновесного конденсатора (испарителя); разделителя жидкого потока, разделителя фаз.

Для сложного химико-технологического объекта:

где N – число повторяющихся конструкционных элементов (ступеней разделения).

В частности, для колонн обычной ректификации A=1, B=10; экстрактивной ректификации, ; гетероазеотропной ректификации A=1, B=9.

Доказано, что число независимых переменных инвариантно относительно типа задачи, т.е. число степеней свободы одно и то же для проектного, поверочного и проектно-поверочного вариантов. Систематизированы в виде таблицы различные установки разделения и рекомендованы наборы независимых переменных для случая решения поверочной задачи.

В третьей главе исследованы нестационарные простейшие фазовые процессы (равновесного открытого испарения и конденсации) и показана возможность их использования для анализа производства энтропии и множественности стационарных состояний в процессе ректификации, обусловленной структурой фазовых портретов многокомпонентных смесей (на примере тройных систем).

Получены данные по изменению температуры в реальных процессах дистилляции и конденсации, а также их идеализированных аналогов. Установлено, что в дистилляции также, как и в открытом равновесном испарении, температура непрерывно возрастает, а в конденсации и идеализированном аналоге этого процесса она непрерывно уменьшается. Установлено, что правила Шрайнемакерса применимы для реальных процессов периодической дистилляции и конденсации.

Проведен анализ диаграмм-антиподов относительно процессов дистилляции и конденсации.

Исследовано производство энтропии в системе равновесное испарениеполная конденсация. Установлено, что даже если принять с учетом дифференциального характера обратимость обоих процессов (а они действительно обратимы в особых точках, которым соответствуют азеотропы и чистые компоненты), то при их сочетании в зеотропных областях производится энтропия, что обусловлено различием температур равновесного испарения и полной конденсации образующегося пара. Таким образом, обратимость простейших процессов при их сочетании не гарантирует обратимости сложного процесса при конечной разности температур в составляющих процессах. Это качественно согласуется с данными М.

Бенедикта.

В этой же главе рассмотрены вопросы множественности стационарных состояний, обусловленной нелинейностью фазового равновесия жидкость-пар.

При использовании аналога конфигурационного пространства, когда по высоте колонны на каждом уровне концентрация любого компонента имеет двойной индекс (компонента и ступени разделения), наблюдается полная аналогия процессов дистилляции и ректификации при бесконечном флегмовом числе. Это объясняется тем, что стационарный режим ректификации в пространстве конфигураций характеризуется точкой (траектория ректификации «схлопывается» в точку). Выявлены группы структур фазовых диаграмм из 49 термодинамически возможных (с антиподами), характеризующихся разным числом аттракторов (один, два или три) и соответственно разным числом стационарных состояний. Данные результаты являются принципиальными при расчете ректификации смеси заданного состава в поверочном варианте, а именно: при выборе начальных приближений для расчета.

Важными оптимизационными параметрами, определяющими энергоемкость режимов ректификации, являются фазовое состояние (энтальпия) и температура исходной смеси, подаваемой в колонну на конкретный уровень (тарелку питания).

Четвертая глава посвящена изучению взаимосвязи этих параметров с тепловыми нагрузками на куб и конденсатор, с положением тарелки питания (на примере ректификации бинарных смесей).

Энтальпия исходной бинарной смеси определяет долю отгона е и величину q, связанную с точкой пересечения рабочих линий на диаграмме y-x:

В таблице 1 приведены значения e и q для различных состояний бинарной смеси.

Влияние энтальпии исходной бинарной смеси на значения величин e и q Недогретая до температуры кипения Парожидкостная Анализ опубликованных данных показывает, что подача смеси в виде недогретой жидкости (в виде насыщенного или перегретого пара) приводит к значительному возрастанию флегмы в исчерпывающей (укрепляющей) части колонны.

В первом случае увеличивается нагрузка на кипятильник, во - втором на конденсатор. С целью поиска наиболее рационального энергетического состояния питания нами изучены закономерности ректификации бинарной смеси в режиме проектной и поверочной задачи.

Для различных состояний исходной смеси метанол(1)-этанол(2) эквимолярного состава рассчитаны минимальное флегмовое (Rmin) и минимальное паровое На рис. 1 представлены зависимости указанных чисел от состава на тарелке питания. Аналогичные графики справедливы при закрепленном составе исходной смеси и варьировании ее температуры.

Из рис.1 видно, что минимальные флегмовое и паровое числа меняются разнонаправлено. С увеличением концентрации легколетучего компонента (метанола) на тарелке питания минимальное флегмовое число уменьшается, но растет минимальное паровое число, что также приводит к увеличению энергозатрат.

Следовательно, ориентироваться только на величину при оценке энергозатрат (как это принято в литературе) не совсем корректно. Только в точке пересечения приведенных зависимостей обе величины могут равноправно выступать критериями энергоемкости процесса. А это наблюдается при приближении состава на тарелке питания к составу исходной смеси, подаваемой при температуре ее кипения.

Нами проведено исследование различных режимов ректификации смеси метанол-этанол эквимолярного состава и в поверочной задаче. В расчетном эксперименте при флегмовом числе, общей эффективности колонны 10 теоретических тарелок и соотношении количеств продуктовых потоков W/D=1 варьировались температура исходной смеси (в диапазоне от 5 до 70 С) и уровень ее подачи. В сериях расчетных экспериментов определялись оптимальные тарелки питания, для которых и проводилось сравнение режимов разделения. Полученные результаты приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что с уменьшением температуры исходной смеси (и величины е) улучшаются составы продуктовых потоков: концентрация легкокипящего компонента в дистилляте растет, а в кубе падает. Однако одновременно при изменении доли отгона от нулевого значения наблюдается значительная асимW D метрия величин Q и Q.

Показатели оптимальных режимов при различных температурах исходной смеси метанол-этанол эквимолярного состава Последнее говорит о том, что в исчерпывающей секции колонны (при е0) иллюстрации на рисунке 2 приведена зависимость разницы расхода энергии в кипятильнике и конденсаторе от температуры исходной смеси, соответствующая показателям таблицы 2.

поверочной задачи флегмовое число поРис.2. Зависимость разницы рас- стоянно. Таким образом, специально захохода энергии в кипятильнике и лаживать исходную смесь нецелесообразконденсаторе от температуры но и рационально подавать ее в виде киисходной смеси метанол-этанол; пящей жидкости. В этом случае разность М=10, R=2, W/D=1. QW-QD наименьшая и подтверждается результат, полученный ранее для проектной задачи. В пользу подачи исходной смеси при температуре кипения свидетельствует и наименьшее производство энтропии (табл. 2).

В целом, вопрос о фазовом состоянии и температуре исходной смеси напрямую связан, на наш взгляд, с рассмотрением колонны как изолированного объекта либо колонны как элемента схемы (разделительного комплекса). В первом случае нами обоснована целесообразность подачи питания при температуре кипения, во втором, по-видимому, - смесь следует подавать в том состоянии, в котором она поступает в колонну с предыдущей стадии. Последнее будет выгодно, если увеличение нагрузки на куб при пониженной температуре питания будет меньше тепла, требуемого для подогрева исходной смеси до температуры кипения.

В дальнейшем при постановке вычислительных экспериментов по ректификации бинарных и тройных смесей будем рассматривать подачу исходной смеси в виде кипящей жидкости при заданном давлении.

В пятой главе предложен новый подход к оценке термодинамической эффективности различных режимов ректификационной колонны, схем в целом и функциональных комплексов. Одной из таких оценок, связанной с задачами термодинамической оптимизации, является определение оптимального уровня ввода исходной смеси в колонну. Для бинарных смесей задача имеет однозначное решение. Для ректификации многокомпонентных идеальных смесей задача решалась ранее без указания ее типа (проектная, поверочная). Часто использовался метод Андервуда при допущении постоянства относительной летучести компонентов.

Предлагаемый нами подход применим к смесям различной природы и базируется на величине производства энтропии и балансовых соотношениях, вытекающих из закона сохранения энергии и вещества.

Согласно закону Гленсдорфа-Пригожина, стационарный режим характеризуется определенным производством энтропии. Вся произведённая в колонне энтропия уходит с потоками энергии и массы в окружающую среду. Таким образом, в стационарном режиме энтропия в колонне остаётся постоянной, а энтропия в окружающей среде растёт в единицу времени. Так как энтропия помимо свойства постоянно возрастать является функцией состояния, очевидно, каждый поток характеризуется определённой величиной энтропии. Тогда баланс энтропии для стационарного процесса можно записать в виде:

Откуда производство энтропии равно:

где - энтропия, выводимая (вносимая) с энергией в полном конденсаторе (в кипятильнике); S D, SW, S F - энтропия потоков дистиллята, кубового продукта, исходной смеси.

где rW и rD - теплоты равновесного испарения кубового продукта и полной конденсации паров дистиллята; VW,VD - количества паровых потоков куба и дистиллята. В общем случае QD QW.

Если представить величины энтропии массовых потоков как произведение мольной энтропии на число молей потока, то получим:

где D,W, F - количество молей дистиллята, кубового остатка и исходной смеси, соответственно; S D и SW - мольные энтропии дистиллята и кубового продукта, S F - мольная энтропия исходной смеси, подаваемой в виде кипящей жидкости.

Уравнение (6) может быть получено суммированием производства энтропии на каждом уровне колонны с учетом противотока. Здесь полное производство энтропии представлено суммой двух составляющих, обусловленных энергетическими ( T ) и материальными потоками ( x ), которые имеют вид:

Величины T и x отражают баланс энтропии потоков энергии и вещества, пересекающих границу термодинамической системы. Поэтому они могут быть больше нуля, равны нулю и меньше нуля. В свою очередь, величина производства энтропии всегда положительна, так как в ректификационной колонне энтропия всегда производится. Проведен анализ выражения (6) для производства энтропии в проектном и поверочном вариантах расчета непрерывной ректификации смеси, подаваемой в колонну в виде кипящей жидкости.

Критериями оптимального расположения уровня питания в проектном варианте расчета ректификации бинарных смесей является максимальное приближение состава на тарелке питания к составу исходной смеси, что обеспечивает наименьшее значение. Показано, что в проектной задаче концентрационная составляющая x постоянна, так как составы конечных продуктов заданы, а температурная составляющая T при оптимальном расположении тарелки питания является наименьшей из всех возможных. Здесь при определении минимального флегмового числа наблюдается на оптимальной тарелке питания двухсторонняя бесконечность ступеней разделения. При неоптимальном положении тарелки питания реализуется односторонняя бесконечность и минимальное флегмовое число возрастает. В качестве примера на рисунке 3 приведены положения рабочих линий и зависимость минимального флегмового числа от уровня подачи исходной смеси метанол (1)-вода (2) состава x1F =0,4 мол.д.

Рис. 3. Положение рабочих линий (а) и зависимость вычисленных минимальных флегмовых чисел (б) от уровня подачи исходной смеси метанол-вода:

(1) для укрепляющей, (2) для исчерпывающей секций колонны Нами в работе рассмотрены особенности ректификации смесей различной физико-химической природы в режиме поверочной задачи. В качестве объектов на первом этапе выбраны бинарные смеси, характеристики которых приведены в табл. 3.

Вычислительный эксперимент проводили с использованием программноориентированного комплекса Chemcad 5.2.0. Моделирование парожидкостного равновесия и расчет различных режимов ректификации осуществляли с помощью уравнений NRTL и Wilson. Результаты расчета ректификации представлены в приложении к диссертации.

Вычислительный эксперимент проводили в следующей последовательности:

закрепляли состав, количество и энтальпию (энергетическое состояние) исходной смеси, количество тарелок в колонне, флегмовое число, соотношение количеств дистиллята и кубового продукта. Далее проводили расчет ректификации, варьируя уровень подачи исходной смеси в колонну. Для каждого режима ). Строили зависимости полученных величин от номера тарелки питания и выбирали оптимальный уровень подачи исходной смеси для каждого случая.

Для примера на рисунке 4 приведены зависимости составов дистиллята, кубового продукта и на тарелке питания (а) и производства энтропии (б) от уровня подачи исходной смеси метанол-этанол состава x1 =0,5 мол.д. при числе ступеней разделения N=10, флегмовом числе R=2 и W/D=1.

8. Вода – Муравьиная кислота Ti 0, Tаз - температура кипения чистого вещества и азеотропа, соответственно, при 760 мм.рт.ст.

Оптимальному уровню питания колонны соответствует ее максимальная разделительная способность и, следовательно, наивысшая величина производства энтропии.

Рис. 4. Влияние уровня подачи исходной смеси метанол-этанол а) на состав дистиллята ( x1 ), кубового продукта ( x1 ) и на тарелке питания ( x1 ); б) на производство энтропии.

Обобщенные результаты расчета ректификации бинарных смесей в поверочном варианте приведены в табл. 4.

Значения критерия оптимального расположения уровня питания и его составляющих при ректификации бинарных смесей (поверочный расчет) 4 XF=0.5, R=8.5,N=10,W/D =1 Вода – Муравьиная к-та 7 XF=0.7,R=2,N=6,W/D =0.992 9 XF=0.4,R=2,N=6,W/D =0. Анализ данных показал, что различные составляющие энтропийного критерия, а именно:,( ), и так же реализуют экстремумы и могут выступать в качестве дополнительных характеристик оптимального расположения тарелки питания. Их можно использовать, если критерий дает слабо выраженный максимум, что возможно при приближении конечных составов к предельным составам продуктовых потоков или при обработке данных натурного эксперимента.

может иметь разный знак в зависимости от природы разделяемой смеси. Примеры зависимости этой величины от уровня питания ректификационной колонны для смесей ацетон-гексан и вода-муравьиная кислота приведены на рисунке 5.

Рис. 5. Зависимость от уровня питания. а) Смесь ацетон – гексан; б) Смесь вода – муравьиная кислота.

Необходимо отметить, что при заданном флегмовом числе увеличение числа тарелок приводит к приближению результатов поверочного варианта расчета к проектному. При x1 =1, x1 =0 реализуется четкая ректификация и задача становится чисто проектной. При переходе от одного типа задачи к другому приоритет отдается величинам, которые являются представительными составляющими критерия.

В дальнейшем осуществлялся поиск оптимального уровня подачи питания при ректификации трехкомпонентных смесей ацетон-метанол-этанол и ацетонИПС-вода, диаграммы которых относятся к классу 3.1.0 типов 1а и 2 (рис. 6).

Рис. 6. Диаграммы траекторий ректификации при четком разделении (, ) исследуемых трехкомпонентных смесей а) ацетон-метанол-этанол; б) ацетон-изопропиловый спирт-вода.

Для этой цели были обработаны результаты натурного эксперимента, которые воспроизведены нами в вычислительном эксперименте.

На основе данных натурного эксперимента о конечных составах продуктов и их температурах получены величины энтропий и энтальпий потоков, затем были определены значения производства энтропии и ее составляющих. Результаты вычислительных экспериментов представлены графически на рис. 7. По экстремальным значениям критериев определено оптимальное расположение тарелок питания. Для смеси ацетон-метанол-этанол заданного состава при разных соотношениях количеств продуктов оптимальными являются вторая (рис. 7.1) и девятая (рис. 7.2) тарелки, соответственно. Для смеси ацетон-изопропанол-вода (рис.

7.3) – пятая.

Совпадение данных расчетного и натурного экспериментов позволяет утверждать, что предлагаемый нами критерий оптимального расположения уровня питания работоспособен как в случае использования теоретических ступеней разделения, так и в случае реальной ректификации.

В этой главе также показана возможность применение для оптимизации уровней ввода питания и экстрактивного агента (ЭА) в колонну экстрактивной ректификации (ЭР).

Производство энтропии для колонны экстрактивной ректификации рассчитывается по следующей формуле:

Серафимов, Л. А. Направленное изучение фазового равновесия жидкость-пар и расчет ректификации неидеальных многокомпонентных смесей : дис...канд. техн. наук : 02.00.06 :

защищена 20.09.61 : утв. 29.03.61 / Серафимов Леонид Антонович. - М., 1961. - 292 с.

ввода исходной смеси состава: 1) ацетон (0,48 м.д.) – метанол (0,12 м.д.) – этанол (0,40 м.д.) при R=8,5, W/D =1,18; 2) то же при W/D =1,76; 3) ацетон (0,0592 м.д.) – изопропанол (0,0445 м.д.) – вода (0,8963 м.д.) при R=3, W/D =5, Для оптимизации уровней подачи двух питаний также использованы составляющие производства энтропии.

Колонна ЭР обладает числом степеней свободы:

На первом этапе закреплялись все свободные переменные (количество тарелок, флегмовое число, состав, количество и состояние потока питания, состав, количество и состояние потока экстрактивного агента, количество отбора дистиллята). Затем задача решалась методом перебора номеров тарелок подачи и ЭА и поиска оптимального соотношения по критерию производства энтропии.

Данный алгоритм определения оптимальных уровней подачи двух питаний в колонну ЭР проиллюстрирован примером разделения бинарной азеотропной смеси ацетон-метанол (состав азеотропа при давлении 760 мм рт.ст.: хац=0, м.д.; хмет=0,217 м.д., Т кип=55,34 С) в присутствии воды (ЭА). Показано, что уровни подачи потоков в колонну ЭР также могут быть оптимизированы с помощью предложенного нами энтропийного критерия, которому отвечает экстремальное значение величины производства энтропии при прочих закрепленных параметрах.

В шестой главе исследована возможность использования энтропийного критерия для оценки различных вариантов линейных технологических схем и функциональных комплексов.

Переход от одиночной колонны к линейной технологической схеме или функциональному комплексу вводит новую переменную – структуру этой схемы или комплекса. Число колонн в линейной схеме равно, где - число получаемых фракций. Если в виде фракций отбирают практически чистые компоненты, то. Число вариантов линейных технологических схем (Z) определяется числом получаемых фракций и равно:

Для случая идеальных трехкомпонентных смесей наиболее полное исследование линейных схем в режиме проектной задачи было выполнено М.М. Корабельниковым.

Для определения количества переменных в поверочном режиме подходящим является метод Квока, предложенный для вычисления вариантности ректификационной колонны. В случае схем или комплексов элементами служат составляющие их колонны. При этом учитывается, что выходящий из колонны поток является входящим в другую колонну.

Вариантность линейной двухколонной схемы равняется:

При рассмотрении первого заданного разделения уравнение для расчета составляющих и общего производства энтропии при разделении тройной смеси на три фракции будет иметь вид:

Для второго заданного разделения аналогично можно получить:

пользуется одна и та же исходная смесь. При этом если, то эффективI II, то эффективнее бунее вариант первого заданного разделения, если дет вариант второго заданного разделения.

С целью выделения в концентрационном симплексе областей эффективности той или иной схемы были рассмотрены две (в соответствии с формулой (11)) линейные схемы разделения тройных смесей бензол-толуол - параксилол и ацетон-изопропанол-вода. Давление во всех колоннах 760 мм.рт.ст. Для различных составов исходных смесей, выбранных по методу секущих и сечений, проведен расчет ректификации в поверочном варианте. Для каждого случая определялось оптимальное положение тарелки питания в каждой из колонн по максимальной величине производства энтропии и рассчитывалось значение производства энтропии по схеме в целом ( I и II ).

между областями выступает изоэнтропийное многообразие. Полученные с помощью критерия производства энтропии области совпадают с областями, полученными Рис. 8. Области оптимальности первого и второго заданных разделений.

ацетон-изопропанол-вода. В качестве продуктов выделяются два индивидуальных компонента и азеотроп. Диаграмма данной системы (рис. 6,б) имеет сепаратрису, которая разделяет концентрационный треугольник на две области ректификации. В каждой области возможны два варианта схем, различающиеся организацией процесса в первой колонне по 1-ому или 2-ому заданному разделению. Установлено, что оптимальной тарелке питания в большинстве случаев отвечает максимум величины производства энтропии. Важно, что выбор оптимального уровня подачи питания подтверждается целым набором критериев. Сравнение схем проведено по минимальной минимальным энергозатратам по схеме в целом. Показано, что в отличие от зеотропной системы, для всех составов исходной смеси термодинамическим преимуществом обладает схема, Полученные данные вносят коррективы в традиционные эвристические правила и таким образом переносить закономерности, полученные Рис. 9. Функциональный двухколонный комплекс экстрактивной ректикомплекс экстрактивной ректификации. 1 – колон- рецикловым потоком (ЭА – вода) (рис. 9).

на экстрактивной ректи- Вариантность комплекса экстрактивной фикации; 2 – колонна ре- ректификации равна:

Количество независимых переменных комплекса ЭР отличается от вариантности линейной схемы ректификации на переменные. Предварительно в главе 5 осуществлён поиск оптимального соотношения двух уровней подачи питания в колонну экстрактивной ректификации методом перебора.

В таблице 5 представлены статические параметры работы колонн ЭР и регенерации ЭА.

Поскольку куб колонны регенерации ЭА является рецикловым потоком, к которому предъявляются определённые требования по качеству (содержание ЭА не менее 0,995 м.д.), то задача расчета комплекса ЭР в целом может быть заменена расчетом отдельных колонн: или комплекса как единого целого в проектноповерочном варианте.

Статические параметры работы колонн ЭР и регенерации ЭА 1. Для квалифицированного анализа химико-технологических объектов и постановки вычислительных экспериментов определена вариантность (малая; большая; вариантность, учитывающая конструкционные переменные) простейших фазовых процессов, различных элементов ректификационной колонны и в целом колонны с различной организацией материальных и энергетических потоков, в том числе колонны гетероазеотропной и экстрактивной ректификации.

2. На основе анализа известных методов определения числа независимых переменных и собственных вычислений показана независимость числа степеней свободы (вариантности) относительно всех типов задач расчета ректификации (проектного, поверочного, проектно-поверочного).

3. С применением координат конфигурационного пространства доказана идентичность нестационарных процессов открытого равновесного испарения (конденсации) и стационарного многоступенчатого процесса ректификации, что позволило выявить полистационарность процессов, обусловленную фазовым равновесием (наличием разного числа аттракторов в структуре фазовой диаграммы).

4. Исследована взаимосвязь фазового состояния и температуры исходной смеси с тепловыми нагрузками на куб и конденсатор, с положением тарелки питания при ректификации бинарных смесей. Обоснована подача исходной смеси в виде кипящей жидкости при заданном давлении при постановке вычислительных экспериментов.

5. Предложен новый универсальный критерий (производство энтропии) и его составляющие (температурная и концентрационная), позволяющие оценить оптимальное расположение уровня питания ректификационных колонн при решении как проектной, так и поверочной задач, а также оценить в сравнительном аспекте оптимальность различных технологических схем и функциональных комплексов.

6. Показано, что оптимальное расположение уровня питания соответствует в случае проектной задачи минимуму производства энтропии и минимуму энергетических затрат, в случае поверочной задачи - максимуму производства энтропии и минимуму энергетических затрат. При сравнении технологических схем и функциональных комплексов оптимальным для данной разделяемой смеси будет та схема или комплекс, которому соответствуют минимум затрат энергии и минимум энтропийного критерия.

7. Разработанная методика определения оптимального расположения уровня подачи питания (одного или нескольких) проиллюстрирована на примере разделения семи бинарных и двух тройных смесей разной природы. С использованием предложенного критерия: а) проведено разбиение концентрационного пространства систем бензол-толуолксилол и ацетон-изопропанол-вода на области преимущественной реализации схем, ориентированных на первое или второе заданное разделение; б) показана принципиальная возможность оптимизации двух уровней подачи питания в колонну экстрактивной ректификации.

8. Результаты диссертационной работы включены в курс лекций «Физикохимические основы процессов разделения», читаемый в рамках программ подготовки бакалавров и магистров по направлению «Химическая технология и биотехнология».

Список опубликованных работ:

1. Хахин, Л. А. Оптимальное расположение уровня подачи исходной смеси при ректификации бинарных зеотропных смесей / Л.А. Хахин, В.А. Раева, А.К. Фролкова // Ученые записки МИТХТ. - 2004. - Вып.11. - С. 84-91.

2. Фролкова, А.К. Термодинамическая оптимизация процесса ректификации с помощью критерия прироста энтропии / А.К. Фролкова, Л.А. Хахин // II Молодежная научно-техническая конференция «Наукоемкие химические технологии» : тезисы докладов, Москва, Россия, 16-18 октября 2007. – М., 3. Правило фаз : Учебно-методическое пособие / Л.А. Серафимов, А.К.

Фролкова, Л.А. Хахин. – М. : ИПЦ МИТХТ, 2008. – 48 с.

4. Фролкова, А. К. Энтропийная оценка ректификации бинарных смесей при различных вариантах расчета процесса / А.К. Фролкова, Л.А. Хахин // 5. Фролкова, А. К. Изменение температуры вдоль траекторий процесса равновесной конденсации / А.К. Фролкова, Л.А. Хахин, Т.В. Челюскина, Л.И.

Черных // Вестник МИТХТ. – 2008. – Т. 3, № 2. – С. 62-65.

6. Серафимов, Л.А. Исследование энтропии равновесного процесса дистилляции с последующей полной конденсацией / Л.А. Серафимов, А.К.

Фролкова, Л.А. Хахин // Вестник МИТХТ. – 2008. – Т. 3, №5. – С. 50-56.

7. Фролкова, А. К. Полистационарность в дифференциальных процессах открытой равновесной дистилляции и равновесной конденсации / А.К.

Фролкова, Л.А. Хахин, В.М. Раева // ТОХТ. – 2008. – Т. 42, № 6. – С. 605Фролкова, А.К. Термодинамическая оптимизация процесса ректификации с помощью критерия прироста энтропии / А.К. Фролкова, Л.А. Хахин // XII Международная научно-техническая конференция «Наукоемкие химические технологии 2008» : тезисы докладов, Волгоград, Россия, 09-11 сентября 2008 г. – ВолгГТУ. - Волгоград, 2008. – С. 45-46.

9. Фролкова, А. К. К определению числа степеней свободы химикотехнологических объектов (на примере ректификационной колонны) / А.К. Фролкова, Л.А. Хахин // Химическая Технология. – 2009. - № 4. – С.

10. Фролкова, А.К. Оценка оптимального расположения уровня питания при ректификации бинарных многокомпонентных смесей разной природы / А.К. Фролкова, Л.А. Хахин // Вестник МИТХТ. – 2009. – Т. 4, № 3.- С. 45-56.



 


Похожие работы:

«Бубенцов Владимир Юрьевич Разделение бинарных водно-солевых систем методом адиабатной кристаллизации АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий МОСКВА – 2006 г. 2 Работа выполнена на кафедре Процессы и аппараты химической технологии государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В....»

«ТРОШИН МИХАИЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ ПОЛУЧЕНИЕ ГИПСОВОГО КАМНЯ ИЗ ПОЛУГИДРАТА СУЛЬФАТА КАЛЬЦИЯ – – ОТХОДА ПРОИЗВОДСТВА ЭФК 05.17.01 – технология неорганических веществ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2011 Работа выполнена в ОАО Научно-исследовательский институт по удобрениям и инсектофунгицидам им. проф. Я.В. Самойлова (ОАО НИУИФ). Научный руководитель : доктор технических наук ОАО НИУИФ Бушуев Николай Николаевич Официальные...»

«Ауад Максим Сами АНАЛИТИЧЕСКИЕ И ПРОЦЕДУРНЫЕ МОДЕЛИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСОВ В СЕТЕВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ С РАЗЛИЧНОЙ СТРУКТУРОЙ Специальность 05.25.05 Информационные системы и процессы Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Тамбов – 2014 Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Тамбовский государственный технический университет (ФГБОУ ВПО ТГТУ) на...»

«Свешников Александр Сергеевич ФОРМИРОВАНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ШПОНА И ДРЕВЕСНО-КЛЕЕВОЙ КОМПОЗИЦИИ 05.21.05 – Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург 2014 2 Диссертационная работа выполнена в ФГБОУ ВПО Костромской государственный технологический университет на кафедре лесозаготовительных и деревоперерабатывающих производств Научный...»

«Хайруллин Рамиль Камилевич ВЛИЯНИЕ КИСЛОТНО-ОСНОВНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ НА АДГЕЗИОННУЮ ПРОЧНОСТЬ ПОЛИМЕРНЫХ СИСТЕМ С РАЗЛИЧНЫМИ СУБСТРАТАМИ 05.17.06 – Технология и переработка полимеров и композитов АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Казань - 2007 Работа выполнена на ОАО Нижнекамскшина и в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Казанский государственный технологический университет (ГОУ ВПО КГТУ)...»

«Гавриченко Александр Константинович ТОМОГРАФИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ДАННЫХ В ЗАДАЧАХ КВАНТОВОЙ ИНФОРМАТИКИ Специальность 05.27.01 — твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва, 2013 г. Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Физико-технологическом институте РАН (ФТИАН РАН) Научный...»

«КУШИТАШВИЛИ ВЛАДИМИР АНДРЕЕВИЧ ОБОСНОВАНИЕ И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ ГЛУБИНЫ ЗАЛОЖЕНИЯ ГОРОДСКИХ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ 05.15.11. - Физические процессы горного производства АВТОРЕФЕРАТ дисертации, представленной на соискание учёной степени кандидата технических наук Тбилиси 2006 РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В ГРУЗИНСКОМ ТЕХНИЧЕСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ Научный руководитель – докт. техн. наук, проф. Гуджабидзе И. К. Официальные оппоненты : докт. техн. наук, проф....»

«Костикова Анна Владимировна РАЗРАБОТКА ОСНОВ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОКОМПОЗИТА FeNi3/C НА ОСНОВЕ ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛА, FeCl3·6H2O и NiCl2·6H2O ПОД ДЕЙСТВИЕМ ИК НАГРЕВА Специальность 05.27.06: технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва – 2013 Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего...»

«ЛАРИСА ВЛАДИМИРОВНА НОВИНСКАЯ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ВНЕДРЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ БИБЛИОТЕЧНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ В БИБЛИОТЕКАХ РЕГИОНА: ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЙ АСПЕКТ Специальность 05.25.03 – библиотековедение, библиографоведение и книговедение АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата педагогических наук Москва – 2014 Работа выполнена на кафедре библиотековедения и книговедения Федерального государственного образовательного учреждения высшего...»

«НАФИКОВА РАЙЛЯ ФААТОВНА ОДНОСТАДИЙНЫЙ СИНТЕЗ СТЕАРАТОВ ДВУХВАЛЕНТНЫХ МЕТАЛЛОВ 05.17.04 - Технология органических веществ АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Казань - 2001 Работа выполнена в Стерлитамском закрытом акционерном ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ обществе Каустик. Актуальность проблемы. Поливинилхлорид (ПВХ) и сополимеры винилхлори-да доктор химических наук, являются основой многих композиционных материалов и занимают одно из...»

«ПОПОВ ДМИТРИЙ АЛЕКСЕЕВИЧ КОНТАКТНАЯ КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ В КАЧЕСТВЕ ХЛАДОАГЕНТА ОХЛАЖДЕННЫХ РАСТВОРИТЕЛЕЙ 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Москва – 2009 Работа выполнена на кафедре Процессы и аппараты химической технологии государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московская государственная академия тонкой химической технологии...»

«Юрыгин Павел Петрович ИССЛЕДОВАНИЕ СТРАТИФИЦИРОВАННОГО ТЕЧЕНИЯ РЕЗИНОВЫХ СМЕСЕЙ В ДУПЛЕКСНЫХ ГОЛОВКАХ ДЛЯ ВЫПУСКА ЗАГОТОВОК КОЛЬЦЕВОГО ПРОФИЛЯ 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Ярославль – 2014 2 Работа выполнена на кафедре Технологические машины и оборудование Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Ярославский...»

«Тимонина Анна Владимировна Получение и исследование свойств материалов на основе нанокристаллов соединений AIIBVI Специальность 05.27.06 технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2014 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН)...»

«ЮШКОВ Александр Николаевич Повышение эффективности работы гидропривода лесных машин путем совершенствования технического обслуживания и ремонта 05.21.01- Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Санкт-Петербург 2009 Работа выполнена ГОУ ВПО Санкт-Петербургская государственная лесотехническая академия им....»

«Платов Геннадий Алексеевич Численное исследование гидродинамических процессов в окраинных морях и в шельфовой зоне 25.00.29 – физика атмосферы и гидросферы Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Новосибирск – 2011 Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения РАН Официальные оппоненты : доктор физико-математических наук Ривин Гдалий...»

«Пынкова Татьяна Ивановна РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩАЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЦЕССА КАПСУЛИРОВАНИЯ ТВЕРДОФАЗНЫХ И ЖИДКОФАЗНЫХ ПРОДУКТОВ Специальность 05.17.08. - Процессы и аппараты химических технологий АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2014 Работа выполнена на кафедре Процессов и аппаратов химических технологий федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования...»

«Шана Маха Акрам Автоматизированная информационная система адаптивного обучения на основе компетентностного подхода 05.25.05 - Информационные системы и процессы АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Нальчик – 2014 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х. М. Бербекова кандидат технических наук, доцент Научный руководитель : Шаков Хасанби Кужбиевич Камаев Валерий Анатольевич, доктор Официальные...»

«Гнусов Максим Александрович ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОМБИНИРОВАННЫХ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ГРУНТОМЕТА ДЛЯ ПРОКЛАДКИ МИНЕРАЛИЗОВАННЫХ ПОЛОС В ЛЕСУ 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Воронеж – 2014 Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Воронежская государственная лесотехническая академия (ФГБОУ...»

«Речкина Екатерина Александровна ПЕРЕРАБОТКА ДРЕВЕСНОЙ ЗЕЛЕНИ СОСНЫ ОБЫКНОВЕННОЙ С ПОЛУЧЕНИЕМ ПЕКТИНОВЫХ ВЕЩЕСТВ 05.21.03 – Технология и оборудование химической переработки биомассы дерева; химия древесины Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук Красноярск – 2012 2 Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Сибирский государственный технологический университет на кафедре Химическая технология древесины и биотехнология, г. Красноярск. Научный...»

«Балан Никита Николаевич РАЗРАБОТКА И ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ТУННЕЛЬНЫХ НАНОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ Специальности: 05.27.01 – Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах; 05.27.06 – Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва 2011 Работа...»














 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.