Выбор схемы для разделения многокомпонентных смесей на отдельные фракции

Общепринятая технологическая схема разделения многокомпонентной смеси на две фракции с применением только одной колонны непрерывного действия не может быть признана целесообразной и оправдывает себя лишь в частных случаях.

Выбор определяющей пары для расчета колонны, предназначенной для разделения w-компонентной смеси на две фракции, производится из числа нар, ограниченного выражением:

где а — количество более летучих компонентов, предназначенных к наиболее полному переходу в дистиллят (основных); (п-а) — количество остальных компонентов, предназначенных к наиболее полному переходу в кубовый остаток.

Такое допущение правильно, если одноколонная схема работы уже предопределена. Однако достаточно рассмотреть еще пары, образующиеся из основных компонентов отгоняемой фракции (дистиллята), чтобы показать всю несостоятельность такого предопределения.

В самом деле, допустим сначала, что самыми трудными парами для основных компонентов дистиллята являются пары, образованные соседними по летучести компонентами. Тогда, очевидно, одноколонная схема целесообразна только в случае, если определяющая пара, выбранная для этой колонны, окажется менее трудной, чем любая из пар, образованных соседними по летучести компонентами дистиллята. Во всех остальных случаях (как это ни парадоксально на первый взгляд) будет целесообразным применение многоколонных комбинированных схем с отделением на каждой колонне группы компонентов или даже одного компонента с последующим смешением всех дистиллятов, образующих желаемую фракцию. Для лучшего пояснения рассматривается следующий пример:

Из я-компонентной смеси требуется отделить фракцию из четырех наиболее летучих компонентов. Спрашивается, какая схема будет наиболее экономически выгодной? Как увидим ниже, здесь возможно множество вариантов.

Случай 1. Пары, образованные компонентами дистиллята, оказываются более легкокипящими, чем определяющая пара для одноколонного разделения.

Здесь, в свою очередь, может быть несколько комбинаций.

1. Порядок пар по увеличивающейся трудности — прямой, т. е. пара 1 — 2 более легкокипящая, чем пара 2 — 3, а последняя, в свою очередь, более легкокипящая, чем пара 3−4, которая, опять-таки более легкокипящая, чем определяющая пара для одноколонного разделения, образованная последним из отгоняемых в дистиллят компонентом 4 с какимнибудь из менее летучих компонентов (например 5) переходящих в кубовой остаток.

При таком расположении пар по степени трудности самой выгодной окажется, по-видимому, схема 3 (рис 9.3), состоящая из четырех колонн, вместо одноколонной, что легко видеть из следующего неравенства:

где /?, < R₂ < /?₃ < R₄; Q — расход энергии для одноколонной схемы.

2. Порядок пар по возрастающей трудности среди компонентов дистиллята — обратный только что рассмотренному, т. е. /?, > R₂ > R₃ < R₄.

Нетрудно видеть, что здесь наиболее выгодной схемой будет двухколонная схема 4 (рис 9.3), где на первой колонне будет отогнана смесь компонентов 1, 2 и 3 при участии определяющей пары 3−4, более легкокипящей, чем определяющая при одноколонной схеме и чем остальные пары, составленные из компонентов дистиллята, а на второй колоннекомпонент 4, так как:

3. Порядок пар среди компонентов дистиллята по трудности смешанный.

Например, пара 1−2 более тяжелокипящая, чем пара 2−3, но более легкокипящая, чем 3−4, т. е.

Здесь, очевидно, наиболее выгодной будет трехколонная схема 5, где на первой колонне будет отогнана смесь компонентов 1 и 2 с участием определяющей пары 2−3, на второй колонне компонент 3 и на третьей компонент 4, так как повидимому:

Примером применения здесь двухколонной схемы 4 (рис. 9.3) является случай, когда пара 1−2 более легкокипящая, чем пара 2−3, но более тяжелокипящая, чем пара 3−4, так как очевидно:

где /?|< R₂> /?₃< R*-

Случай 2. Пары, образованные компонентами дистиллята, не все более легкокипящие, чем определяющая пара для одноколонного разделения. Здесь также может быть много комбинаций. Разберем некоторые из них.

Пара 3−4 более тяжелокипящая, чем пара 4−5; остальные же нары, т. е. 1−2 и 2−3, более легкокипящие, чем пара 4−5; при этом пара 1−2 более легкокипящая в разделении, чем пара 2−3.

При такой комбинации наиболее выгодной схемой несомненно окажется трехколонная схема 5 (рис. 9.3), где на первой колонне следует отогнать компонент 1, на второй колонне компонент 2 и на третьей колонне — компоненты 3 и 4, так как:

где /?!< R₂< R₃> R4

Как видно, при такой схеме самая гяжелокипягцая пара 3−4 исключается из числа определяющих. Если теперь допустить, что пара 1−2 более трудная, чем пара 2−3, оставив остальные соотношения без изменений, то наиболее выгодной схемой окажется двухколонная схема 4, где на первой колонне следует отогнать компоненты 1 и 2 и на второй колонне — компоненты 3 и 4, так как:

где R< R₂< /?з> R4;

Здесь из числа определяющих исключаются наиболее трудные пары 3−4 и 1−2. По-видимому, нет смысла продолжать разбор всех возможных комбинаций, число которых весьма сильно возрастает с увеличением числа компонентов в отгоняемой фракции. Очевидно, достаточно и приведенного материала для того, чтобы сделать следующие обобщения:

• 1. Применение одноколонной схемы ректификации для разделения многокомпонентной смеси на две фракции целесообразно только в частных и редких случаях.
• 2. Применение многоколонных схем ректификации для тех же целей, как правило, целесообразно и диктуется возможностью отгонки отдельных компонентов или их групп, входящих в отгоняемую фракцию, по более легким определяющим парам, чем определяющая пара при одноколонном разделении.
• 3. Наиболее целесообразную схему ректификации для указанных целей легко и просто подобрать при помощи критерия минимального флегмового числа, руководствуясь следующим общим правилом:
  • -для всех основных компонентов, переходящих в дистиллат находятся определяющие пары так же, как и для случая, когда эти компоненты выделяются каждый отдельно в виде дистиллята (одноколонная схема);
  • — из найденных определяющих пар находят ту или иную схему ректификации со следующими парами: пара образованная наименее летучим из основных компонентов отгоняемой фракции (последним) и каким-либо из основных компонентов кубового остатка (определяющая пара для одноколонного разделения), и пара, менее трудная, чем эта последняя;
  • -самая легкой из рассматриваемых определяющих пар осуществляется разделение в первой колонне, следующая пара по степени трудности — во второй и т. д.; в последней колонне разделение осуществляется самой трудной парой (т.е. определяющая пара для одноколонного разделения);
  • — одноколонная схема наиболее выгодна лишь в том случае, когда определяющая пара для нее наименее трудная из всех рассматриваемых.

Излишне рассматривать случай, когда наиболее трудные пары состоят не только из соседних по летучести компонентов, так как ясно, что приведенное правило охватывает и этот наиболее общий случай.

Само собой разумеется, что окончательный выбор схемы ректификации может быть сделан лишь после всесторонних технико-экономических расчетов, учитывающих капитальные и эксплуатационные расходы, а также дефицитность тех или иных материалов, машин и т. п.

Следует отметить, что эти положения применимы и во всех других случаях разделения сложной смеси на ряд фракций, в том числе и в случае, когда требуется выделить из сложной смеси компонент или группу компонентов, средних по летучести, т. е. расположенных между наиболее и наименее летучими компонентами.

В последнем случае, в свете изложенных выше рассуждений, для составления наиболее рациональной схемы следует, очевидно, положить в основу следующий порядок разгонки:

• — сначала отгоняются все более летучие компоненты (головка) по наиболее выгодной схеме, выбираемой изложенным методом;
• — затем из кубового остатка отгоняется выделяемый компонент или группа компонентов по выбранной тем же методом наиболее выгодной схеме;
• — из выбранных схем составляется уже общая требуемая схема.

Пример.

Состав исходной смеси: 80 мол. % бензола, 5 мол. % толуола и 15 мол. % ксилола. Расчет ведется на 100 молей исходной смеси. Для упрощения подсчетов принимаем, что:

• 1) относительные концентрации легколетучих (по отношению к суммарному содержанию) компонентов определяющей пары в дистиллятах для всех вариантов схем равны 100 мол. %, т. е. х_п = 1,0;
• 2) мольная теплота испарения Я одинакова по всему процессу ректификации во всех схемах;
• 3) уравнения кривых равновесия разделяемых пар во всех схемах одинаковы:

* 2,45 х для пары «бензол — толуол» у —-;

• 1,45 х + 1
• 5,95 х

для пары «бензол — ксилол» у =-;

4,95х + 1.

2,1 х для пары «толуол — ксилол» у =;

1,1 X 4* 1.

Сравнить минимальные расходы энергии, т. е. при R_mim

А. Разделение смеси на чистые компоненты

1. Схема с отбором бензола и толуола в виде дистиллятов, а ксилола в виде кубовой жидкости

Первая колонна для отгонки бензола. Количество разделяемых пар:

Разделяемые пары в этой колонне: «бензол — толуол» и «бензол — ксилол».

При принятом составе исходной смеси нельзя без предварительных подсчетов минимальных флегмовых чисел выбрать определяющую пару для бензола, так как хотя по относительной летучести пара «бензол — толуол» является более трудной, чем пара «бензол — ксилол», но по начальной концентрации легколетучего компонента х_f — положение обратное.

Минимальное число флегмы для пары «бензол — ксилол»:

г*, .1; X,—g—0 МУ.у,. ^5№'.— .0,97.

' 80 + 15 ^f 4,95.x,+1 4,95 0,843 + 1.

Минимальное число флегмы для пары «бензол — толуол»:

80. 2,45х, 2 45 0 94.

где х_в =1; х, = -^- = 0,94; у,=—-— = —' ' =0,975.

' 80 + 5 1,45л-, +1 1,45 0,94 + 1.

Поскольку 0,715 > 0,24, определяющей парой для отгонки бензола будет пара «бензол — толуол». Расход энергии в первой колонне на отгонку 80 молей бензола составит:

Q, = Я (0,715+ 1)80 = 137 Я.

Вторая колонна для отгонки толуола. Определяющей парой в этой колонне будет, очевидно, пара «толуол — ксилол».

Минимальное число флегмы:

5 2,1х, 210 25.

где х" = 1; х, = —?—= 0,25; у. =-? ' '- = 0,41.

^п ' 5 + 15 ' 1,1л,+1 1,1 -0,25 +1.

Расход энергии во второй колонне на отгонку 5 молей толуола составит:

Общий расход энергии по этой схеме составит:

2. Схема с отбором бензола в виде дистиллата, а толуола и ксилола в виде кубовой жидкости.

Первая колонна для отгонки смеси бензола и толуола. Количество разделяемых пар:

Разделяемые пары в этой колонне: «бензол — ксилол» и «толуол — ксилол».

Можно без предварительных подсчетов утверждать, что определяющей парой в этой колонне будет пара «толуол — ксилол», так как и относительная летучесть и начальная концентрация лекголегучего х/ меньше для пары «толуол — ксилол», чем для пары «бензол — ксилол».

Минимальное число флегмы /?_мин = 3,7 (см. выше) Расход энергии в первой колонне на отгонку 85 молей бензола и толуола составит:

Вторая колонна для отгонки бензола от толуола. Определяющей парой в этой колонне будет, очевидно, пара «бензол — толуол».

Минимальное число флегмы /?_мин = 0,715 (см. выше). Расход энергии во второй колонне на отгонку 80 молей бензола составит:

Общий расход энергии по этой схеме составит:

Следовательно, при работе по первой схеме расход энергии меньше, чем по второй схеме в 537Я./160А.=3,4 раза.

Б. Разделение смеси на фракции — отгонка смеси бензола и толуола от ксилола

1. Одноколонная схема с отбором бензола и толуола

Определяющей парой в этой колонне будет пара «толуол — ксилол», и расход энергии составит:

2. Двухколонная схема с отбором отдельно бензола и отдельно толуола с последующим их смешением

Расход энергии в этом случае будет таким же, как и при разделении на чистые компоненты, т. е.:

Таким образом, расход энергии при работе по одноколонной схеме будет больше, чем при работе по двухколонной схеме в 400ЯУ160А.=2,5 раза.