Разделение жидких смесей и затраты теплоты при ректификации

Цели. Работа посвящена изучению различных режимов ректификации бинарной идеальной смеси и установлению влияния различных факторов на затраты теплоты в кипятильниках колонн, а также оценке трудности разделения смесей на основе анализа характеристик парожидкостного равновесия.

Методы. В качестве методов исследования выбран графоаналитический расчет процесса ректификации бинарной смеси и математическое моделирование с использованием программного комплекса Aspen Plus с последовательным применением методов DSTWU, RadFrac и модуля «Sensitivity». Равновесие жидкость-пар было определено по уравнению Пенга-Робинсона (PENG-ROB).

Результаты. С использованием графического метода и метода математического моделирования получены параметры работы колонн двух вариантов ректификации бинарных идеальных смесей бензол–толуол, в каждом из которых исходная смесь содержит одинаковое количество низко(высоко)кипящего компонента. Определены числа тарелок в секциях колонны, флегмовые числа, энергозатраты и показатели внутреннего энергосбережения.

Выводы. Анализ полученных результатов показывает перспективность использования коэффициента распределения компонентов между паровой и жидкой фазами для предварительной оценки трудности разделения и ожидаемых затрат теплоты в кипятильниках колонн. Сравнение рассмотренных вариантов показало, что при увеличении внутреннего энергосбережения в колоннах затраты теплоты в кипятильнике уменьшаются.

1. Айнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г.А., Захаренко В.В., Зиновкина Т.В., Таран А.Л., Костанян А.Е. Процессы и аппараты химической технологии. Общий курс: Учебник в 2-х кн.; под ред. В.Г. Айнштейна, 8-е издание. СПб.: Лань; 2019. Кн. 1. 916 с. Кн. 2. 876 с. ISBN 978-5-8114-2975-2

2. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия; 1971. 784 с.

3. Benedict M. Multistage separation processes. Chem. Eng. Prog. 1947;43(2):41–60.

4. Захаров М.К., Мартынова М.М., Прусаченкова М.И. Сравнение затрат теплоты при разделении бинарных смесей методами дистилляции и ректификации. Хим. технология. 2017;18(1):43–47.

5. Kim Y.H. Design and control of energyefficient distillation columns. Korean J. Chem. Eng. 2016;33(9):2513–2521. https://doi.org/10.1007/s11814-016-0124-4

6. Halvorsen I.J., Skogestad S. Energy efficient distillation. J. Nat. Gas Sci. Eng. 2011;3(4):571–580. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2011.06.002

7. Данилов Р.Ю., Петлюк Ф.Б., Серафимов Л.А. Режим минимальной флегмы в простых ректификационных колоннах. Теор. основы хим. технологии. 2007;41(4):394–406.

8. Захаров М.К., Швец А.А., Бойчук А.А. Расчет минимального флегмового числа при ректификации некоторых реальных бинарных смесей. Тонкие химические технологии. 2015;10(6):53–57.

9. Koehler J., Poellmann P., Blass E. A Review on Minimum Energy Calculations for Ideal and Nonideal Distillations Model. Ind. Eng. Chem. Res. 1995;34(4):1003-1020. https://doi.org/10.1021/ie00043a001

10. Wakabayashi T., Ferrari A., Hasebe S. Design and commercial operation of a discretely heat-integrated distillation column. Chem. Eng. Res. Des. 2019;147:214–221. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2019.04.036

11. Fidkowski Z.T., Malone M.F. & Doherty M.F. Nonideal Multicomponent Distillation: Use of Bifurcation Theory for Design. AlChE J. 1991;37(12):1761–1779. https://doi.org/10.1002/aic.690371202

12. Stichlmair J.G., Offers H. & Potthoff R.W. Minimum Reflux and Reboil in Ternary Distillation. Ind. Eng. Chem. Res. 1993;32:2438–2445.

13. Petlyuk F.B. Distillation Theory and its Application to Optimal Design of Separation Units. New York: CUP; 2004. 362 p.

14. Александров И.А. Массопередача при ректификации и абсорбции многокомпонентных смесей. Л.: Химия; 1975. 320 с.

15. Савченко В.И., Гельперин Н.И. Метод расчета минимального флегмового числа в процессах ректификации многокомпонентных смесей. Теор. основы хим. технологии. 1973;7(2):160–169.

16. Martín M.M. Introduction to Software for Chemical Engineers. 2nd edition. CRC Press; 2019. 802 p. https://doi.org/10.1201/9780429451010

17. Luyben W.L. Distillation Design and Control Using Aspen Simulation. 2nd edition. JohnWiley & Sons, Inc.; 2013. 510 p.

18. Schefflan R. Teach Yourself the Basic of Aspen Plus™. 2nd edition. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.; 2016. 331 p.

19. Захаров М.К., Бойчук А.А. Выбор оптимального варианта разделения смеси углеводородных газов методом ректификации. Тонкие химические технологии. 2018;13(3):23–29. https://doi.org/10.32362/24106593-2018-13-3-23-29

20. Zakharov M.K., Nosov G.A., Pisarenko Yu.A., Zhil’tsova L.M., Shvets A.A. Comparison of distributed heat supplies along the height of fractionating columns with conventional fractionation. Theor. Found. Chem. Eng. 2017;51(5):708–715. https://doi.org/10.1134/S0040579517050402