21

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ И ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Расчетный анализ процесса получения пропилена высокой чистоты

В РЕКТИФИКАЦИОННОМ АВТОНОМНОМ МОДУЛЕ

Заведующий кафедрой

криогенной техники

д. т. н., профессор Борзенко Е.И.

Санкт-Петербург

2008

1. Основы теории и расчета ректификационных

процессов при получении особо чистых веществ

в автономных криогенных модулях

Для ряда современных технологий требуются вещества особой чистоты. Среди различных технологий, применяемых для очистки криопродуктов технической чистоты, особое место занимает низкотемпературная ректификация [1–4].

В криопродуктах технической чистоты, поступающих на ректификационную очистку, наряду с базовым веществом могут содержаться микропримеси высоко- и низкокипящих компонентов смеси. В связи с этим ректификационный процесс должен быть двухэтапным: вначале очистка от одной группы микропримесей, а затем – от другой.

Так как тонкий процесс получения сверхчистых веществ оказывается нарушенным при любых изменениях режимных параметров основного блока, он должен быть автономным, и связан с газоразделительной установкой только по линии питания исходным продуктом.

Рис. 1.

Для обеспечения паровых и жидкостных потоков в колонных аппаратах узла ректификационной очистки в автономных модулях используются циркуляционные флегмообразующие циклы, включающие в свою структуру компрессор, теплообменные аппараты и дроссельные вентили. В криогенных автономных модулях малой производительности для этой цели, как правило, применяются независимые высоко- и низкотемпературные источники.

Первый этап расчета – определение числа теоретических тарелок

в ректификационных колоннах

Рассмотрим изложенные выше принципы на примере ректификационной очистки исходного продукта, содержащего молярных долей базового вещества и включающего низкокипящиеи высококипящиемикропримеси. При этом

.

Предположим, что среди низкокипящих примесей компонент ,a среди высококипящих – более близки по летучести к основному компоненту продукта разделения.

В рассматриваемом случае автономный модуль должен состоять из двух ступеней ректификационной очистки.

На первой ступени ректификационного разделения базовое вещество очищается от той группы микропримесей, которая отстоит дальше от него по летучести, чем вторая группа примесей. В этом случае наиболее близкие по летучести примеси отделяются от концентрируемого вещества при самом низком давлении в процессе ректификации, т. е. в оптимальных условиях.

Рассмотрим краткое описание принципиальной схемы автономного ректификационного модуля (см. рис. 1), состоящего лишь из одной колонны, предназначенной для удаления из разделяемой смеси примесей высококипящего компонента. Поток питания технической чистоты V_T в жидком состоянии дросселируется в мерник II, в котором поддерживается постоянный уровень жидкости, свободно сливающейся через калиброванное отверстие в перегородке мерника. Из мерника поток V_T поступает на первую ректификационную ступень разделения (в колонну I). В колонне I поток питания V_T очищается от высококипящих компонентов и разделяется на два потока –D1 и R1. Продукт первичного концентрирования D1 содержит практически все низкокипящие примеси и ничтожное количество высококипящих микропримесей (главным образом компонент ).

На первом этапе расчета все высококипящие микропримеси заменяются одной, самой близкой по летучести к базовому веществу (в данном случае ), а все низкокипящие микропримеси – тоже одной, самой близкой по летучести к базовому веществу (здесь). Это несколько ухудшает результаты расчета.

Обозначим для общности

(1)

(2)





Следовательно, на первом этапе расчета поток питания автономного модуля рассматривается как тройная смесь, состоящая из низкокипящей примеси, базового вещества и высококипящей примеси.

В







колоннеI рассматриваем процесс ректификации потока питания V_T как разделение бинарной смеси: базовое вещество плюс высококипящие микропримеси, присоединяя низкокипящие микропримеси к базовому веществу и полагая, что низкокипящие микропримеси целиком выводятся из колонны I потоком D1, очищенным от высококипящих микропримесей. Исходя из сказанного, поток питания V_T = 1 кмоль, поступающий в колонну I, состоит из .

В результате разделения потока питания технической чистоты в колонне I получается два потока – D1 и R1.

Таким образом, предполагается, что поток D1 имеет состав . Материальный баланс колонны I запишется так:

D1 + R1 = 1, (3)

а по высококипящей микропримеси

. (4)

Решая уравнения (3) и (4), определяем D1 и R1.

Основные расчетные формулы

Колонна I

Минимальное флегмовое число в колонне I

, (5)

где – константа фазового равновесия.

Д

′

ля бинарной смеси базовое вещество–высококипящая примесь в области микроконцентраций равновесная линия считается прямой (рис. 2).

Действительное флегмовое число . Число теоретических тарелок в укрепляющей секции колонны

, (6)

где – угловой коэффициент рабочей линии укрепляющей секции колонны,

. (7)

Рис. 2. x–y-диаграмма бинарной смеси.

Базовое вещество–высококипящий компонент

Число теоретических тарелок в исчерпывающей секции колонны определяется из равенства

, (8)

где – угловой коэффициент рабочей линии исчерпывающей секции колонны,

. (9)

Действительное значение каждой из высококипящих микропримесей в потоке D1 находим из выражения

, (10)

где – содержание i-х высококипящих примесей в потоках питания колонн V_T и D1; – константа фазового равновесия i-й высококипящей микропримеси в бинарной смеси с базовым компонентом.

Содержание высококипящих микропримесей в отбросном потоке определяем из материального баланса колонны I по каждой примеси.

При расчете процесса ректификации все низкокипящие примеси условно присоединены к ; также принято, что они целиком выводятся из колонны потоком D1. В действительности часть этих микропримесей уносит отбросной поток R1.

Величину низкокипящих примесей в этом потоке определяем из выражения

, (11)

где – содержание i-х высококипящих микропримесей в потоках V_T и R1; – константа фазового равновесия i-й низкокипящей микропримеси в бинарной смеси с базовым компонентом.

Содержание низкокипящих микропримесей в потоке D1 определяем из материального баланса колонны I по этим примесям.

Для определения влияния режимных параметров ректификационной колонны при очистке пропилена от примеси пропана была разработана компьютерная программа RNTN(VV,XN,XK,AL,D,FU,RK,M,N) (приложение 1) на базе алгоритма (1)–(11) [10].

При проведении вычислительного эксперимента была установлена зависимость действительного флегмового числа υ, количества дистиллята D1, давления пропилена в ректификационной колонне p_к и содержания пропана в пропилене высокой чистоты на число теоретических тарелок в укрепляющей и исчерпывающей секциях (рис. 3–рис. 6).

При численном эксперименте принимаем, что разбавленный раствор С₃Н₆–С₃Н₈ подчиняется законам идеального газа, и значение константы фазового равновесия находилось, как отношение давления насыщенных паров пропана к давлению пропилена в ректификационной колонне. Это же предположение позволяет считать, что число теоретических тарелок в ректификационной колонне равняется числу единиц переноса массы ЧЕП [6].

Для определения значения высоты единицы переноса ВЕП для ректификационной колонны с регулярной насадкой и для тарельчатой колонны – коэффициента эффективности тарелки требуется проведение экспериментального исследования процессов массообмена и гидродинамики для системы пропилен-пропан.

Расчет ректификационной очистки пропилена от пропана проводился при давлении в колонне p_к = 150 кПа.

Жидкий пропилен, поступающий на очистку, содержит пропан x_н = 0,004 моль C₃H₈/моль, при этом необходимо получить пропилен высокой чистоты с конечным содержанием пропана x_к = 0,00008 моль C₃H₈/моль.

Для определения числа теоретических тарелок в укрепляющей и исчерпывающей секциях принималось количество дистиллята D1 = 0,95 молей и R1 = 0,05 молей. Зная значения константы фазового равновесия – , находим величину минимального флегмового числа υ_min = 3,80 и принимаем значение действительного флегмового числа υ = 6,0.

При принятых параметрах ректификационного процесса очистки пропилена от микропримеси пропана необходимо иметь в укрепляющей секции 37,22, а в исчерпывающей секции 17,56 теоретических тарелок.

В результате кубовая жидкость R1 = 0,05 молей содержит пропилена 0,9215 моль/моль и, соответственно, пропана 0,0785 моль/моль.

Рис. 3. Зависимость числа теоретических тарелок n_т

от значения флегмового числа υ

Рис. 4. Зависимость числа теоретических тарелокn_т

от количества дистиллятаD

Рис. 5. Зависимость числа теоретических тарелок n_т

от давления p_к

Рис. 6. Зависимость числа теоретических тарелок n_т

от концентрации x_к