Выбор схемы разделения многокомпонетной смеси

Среди многочисленных возможных схем непрерывного разделения смеси на п компонентов всегда являются две крайние схемы 1 и 2 (рис. 9.1 — 9.3).

Наименьший расход энергии на разделение оказывается в том случае, когда отбор чистых компонентов предусмотрен в виде дистиллята, т. е. по схеме 1. 11аоборот, установка будет расходовать наибольшее количество энергии, если отбор продуктов (чистых компонентов) будет предусмотрен в виде кубовой жидкости, т. е. по схеме 2 (рис. 9.3).

На схемах через 7, 7/, ///,…, N-II и N-Iобозначены номера колонн, а через 1, 2, 3, п-2, п-1 илкомпоненты, нумеруемые в порядке уменьшения летучести.

Такой вывод совершенно ясен для частного случая, когда определяющими парами данной многокомпонентной смеси являются пары, состоящие только из соседних по летучести компонентов. Эти определяющие пары, очевидно, будут общими в обеих рассматриваемых схемах с той лишь разницей, что если последовательность участия определяющей пары в процессе ректификации в соответствующей колонне считать за прямую в схеме 1, то в схеме 2 эта последовательность будет обратной. Так, например, если в схеме 1 первая определяющая пара 1−2 определяет ход ректификации в 7-й колонне, вторая пара 2−3 — во /I-й колонне, третья пара 3−4 в 777-й колонне и т. д., а также пара (л-2)-(я-1) - в (N-Г)-й колонне и пара (п-1)-п — в последней (№-Г)-й колонне, то в схеме 2 первая пара 1−2 определяет ход ректификации в последней (N-Г)-й колонне, вторая пара 2−3 — в предпоследней (7У-77>й колонне и т. д., пара (л-3)-(л-2) — в колонне 777, пара (я-2) — (л-1) во /7-й колонне и пара (л-1)-пв 7-й колонне.

Так как одни и те же определяющие пары определяют ход ректификации в обеих схемах, то для них мы получаем практически одинаковые и рабочие флегмовые числа и общие количества теоретических тарелок. Но в схеме 1 дистиллятами являются лишь единичные компоненты, а в схеме 2 — смеси в значительно больших количествах (за исключением N-й колонны}. Поэтому в схеме 2 окажется непроизводительный расход тепла и холода на бесполезную рециркуляцию (испарение и конденсацию) компонентов, сопровождающих в каждой колонне легколетучие компоненты определяющих пар. При этом следует подчеркнуть, что кратность этой рециркуляции равна рабочему флегмовому числу определяющей пары, т. е. является максимальной. Такое положение не может не сказаться также на размерах оборудования ректификационной установки. Несомненно, что диаметры ректификационных колонн, поверхности теплообмена кипятильников и дефлегматоров будут значительно больше в схеме 2, чем в схеме 1.

Количественная оценка расхода энергии для сравнительной характеристики работы по этим двум схемам может быть легко произведена. Так, для схемы 1 затраты тепла на испарение флегмы и дистиллята (а следовательно, и затраты холода на конденсацию) с известным приближением составляют:

Для второй схемы этот расход составит:

где А — мольная теплота испарения (калл/моль), принятая постоянной величиной; R_h R_},… R_N__b R_n_i, — значения рабочих флегмовых чисел для соответственных определяющих пар; а, а₂, a₃,…, a_N.₂ и a_N._t — количества молей компонентов в исходной смеси, расположенных в порядке уменьшения летучести.

Очевидно, что Q2- Легко также понять, что при работе на любых промежуточных вариантах этих схем затраты энергии и материалов на оборудование будут меньшими, чем по схеме 2, и большими, чем по схеме 1, причем эти затраты будут тем меньше, чем ближе тот или иной вариант подходит к схеме 1, и наоборот.

Теперь рассмотрим работу приведенных схем с более общей точки зрения, когда определяющими парами могут быть не только пары, состоящие из соседних по летучести компонентов, а и некоторые другие. По схеме 1 каждый компонент отделяется от менее летучих, причем каждое такое отделение определяется участием наиболее трудной для него в разделении пары.

Проследим выделение любого из компонентов по схеме 2. Здесь каждый отдельный компонент подвергается несколько раз испарению и конденсации вместе с другими менее и более летучими, прежде чем он дойдет до колонны, в которой состоится его выделение в виде кубовой жидкости. При этом перед его выделением он обязательно проходит и ту колонну, в которой выделяется один из менее летучих компонентов, образующий с ним самую высококипящую пару (определяющую). Следовательно, эта пара будет участвовать в колонне как определяющая и тогда расход энергии на испарение и конденсацию только одного выделяемого компонента будет в этой колонне минимально необходимой. Но также возможно, что эта пара не будет участвовать как определяющая (так как среди разделяемых в этой колонне пар окажутся более тяжелокипящая пары), и тогда расход энергии в этой колонне будет больше, чем минимально необходимый для выделяемого компонента. К расходу энергии в этой колонне нужно прибавить еще расход энергии на испарение и конденсацию флегмы и дистиллята для выделяемого компонента в остальных колоннах (как в предшествующих отделению менее летучего компонента этой пары, так и в последующих колоннах) через которые проходит рассматриваемый выделяемый компонент каждый раз, испаряясь и конденсируясь до тех пор, пока не завершится его выделение.

Для пояснения разберем следующий пример. Допустим, что для компонента 3 наиболее тяжелокипящей парой является не пара 3−4 (образованная с соседним по летучести более тяжелокипящем компонентом), а пара 3−6. Тогда при работе по схеме 1 компонент 3 будет выделяться в ///-й колонне, где определяющей парой будет, очевидно, пара 3−6. При работе по схеме 2 выделение компонента 3 состоится в (N-II)-й колонне. Менее летучий компонент 6 этой пары 3−6 отделяется в (N-V)-й колонне, где определяющей парой будет 3−6, или какая-нибудь другая более тяжелокипящая из разделяемых в этой колонне (например 5−6). Значит, в одной только /-й колонне затраты энергии на рециркуляцию в верхней ее части только одного компонента 3 будут или те же, как для ///-й колонны схемы 1(или даже больше) но никак не меньше. Между тем, кроме этих затрат возникают еще затраты на испарение и конденсацию этого же компонента 3 во всех колоннах, начиная от /-й до колонны.

Таким образом, и в этом более общем случае расход энергии на выделение любого компонента в чистом виде будет близок к минимально необходимому при работе по схеме 1 и далек от последнего при работе по схеме 2. Следовательно, полное разделение по схеме 1 всегда будет значительно более выгодным, чем по схеме 2. Затраты же энергии при работе по многочисленным промежуточным вариантам схем будут, очевидно, средними между схемами 1 и 2.

Так решается вопрос выбора наиболее целесообразной технологической схемы ректификационной установки для полного разделения многокомпонентной смеси на чистые компоненты.