CC BY
39
УДК 66.046.594:66.048.3-982 М. Г. Гарипов
ВЛИЯНИЕ ГЛУБИНЫ ВАКУУМА НА ОТНОСИТЕЛЬНУЮ ЛЕТУЧЕСТЬ УГЛЕВОДОРОДОВ
И ЭКОНОМИКУ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ
Ключевые слова: вакуум, летучесть, углеводороды, экономика, ректификация.
Исследована зависимость относительной летучести углеводородов и экономики процесса ректификации от глубины вакуума. Показано, что, как правило, при снижении остаточного давления относительная летучесть углеводородов увеличивается, а флегмовое число падает, что позволяет существенно уменьшить размеры ректификационной колонны и расходы теплоносителей.
Keywords: vacuum, volatility, hydrocarbon, economy, rectification.
The dependence of the relative volatility of hydrocarbons and the economy of the process of rectification of the depth of the vacuum. It is shown that, generally, decreasing the residual pressure increases the relative volatility of the hydrocarbons, and the reflux ratio decreases, which can significantly reduce the size of the distillation column and the heating medium flow.
В настоящее время очень актуальны энерго- и ресурсосбережение [1-2]. Ректификация -энергозатратный и материалоемкий процесс (большие тепловые эффекты фазовых переходов, значительные температуры нагрева исходной смеси, большое число аппаратов, огромные размеры ректификационных колонн и т.д.). Один из способов повышения экономичности процесса ректификации - применение вакуума в ректификационной колонне. Осуществление ректификации под вакуумом, во-первых, позволяет существенно понизить температуру нагрева исходной смеси, во вторых, способствует уменьшению термического разложения углеводородов, в-третьих, повышает относительную летучесть компонентов исходной смеси. В свою очередь, относительная летучесть компонентов влияет обратно на флегмовое число, от которого сильно зависят размеры колонны и расходы теплоносителей при данной четкости разделения исходной смеси.
Создание разрежения не требует больших энергозатрат. При увеличении глубины вакуума расход энергии на его создание проходит через максимум. В последние годы вакуумная техника интенсивно развивалась, что позволило разработать эффективные вакуумосоздающие системы.
Цель данного исследования - установление зависимости относительной летучести компонентов исходной смеси и экономики процесса ректификации от глубины вакуума.
В справочной литературе можно найти упругости паров веществ при различных температурах. Жидкое вещество закипает при равенстве давления его насыщенного пара внешнему абсолютному давлению. Значит, зависимость относительно летучести компонентов от глубины вакуума идентична влиянию температуры на относительную летучесть. Для изучения влияния остаточного давления на относительную летучесть углеводородов выбран температурный интервал 10-100°С. Например, упругость паров воды при 10°С примерно такая же, как у октана, т.е. около 8 мм рт. ст. Это говорит о
том, что при остаточном давлении 8 мм рт. ст. вода и октан кипят при температуре 10°С.
Определены относительные летучести компонентов ряда бинарных смесей, полученные результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Зависимость относительной летучести компонентов бинарных смесей от температуры [3-5]
Относительная
№ п/п летучесть
Бинарная смесь Температура, °С
10 100
1 Вода - уксусная кислота 1,45 1,9
2 Ацетон - вода 13,75 4,21
3 Ацетон - метанол 2,2 1,23
4 Гептан - октан 2,59 1,94
5 Метанол - уксусная кислота 9,09 6,5
6 Метанол - вода 6,25 3,42
7 Ацетон - уксусная кислота 20 8
8 Бензол - толуол 3,85 2,9
9 Бензол - гептан 2,27 1,65
10 Бензол - октан 5,88 3,92
11 Бензол - вода 6 1,7
Как видно из таблицы, как правило, относительная летучесть компонентов двойных смесей растет с увеличением глубины вакуума, причем для некоторых смесей весьма значительно. Так, для смеси ацетон - уксусная кислота с понижением температуры со 100°С до 10°С относительная летучесть повышается в 2,5 раза, а для смесей ацетон-вода и бензол-вода - более, чем в 3 раза. В гомологических рядах углеводородов (гептан-октан, бензол-толуол) наблюдается незначительное увеличение относительной летучести (примерно в 1,3 раза). Нестандартно ведет себя водный раствор уксусной кислоты. При понижении температуры со 100°С до 10°С его относительная летучесть уменьшилась в 1,5 раза. у
остальных смесей относительная летучесть повышается примерно на 50%.
Изменение относительной летучести компонентов бинарных смесей с увеличением глубины вакуума объясняется неодинаковой зависимостью упругости паров веществ от температуры. А это обусловлено различной природой компонентов. Наиболее близки по природе представители одного гомологического ряда углеводородов, поэтому при понижении остаточного давления относительная летучесть компонентов таких рядов увеличивается незначительно. Если же вещества сильно различаются по природе, то их относительная летучесть сильно зависит от температуры, а, значит, и от остаточного давления. Например, ацетон и уксусная кислота относятся к
кислородосодержащим углеводородам. Однако, в отличие от ацетона, молекулы уксусной кислоты образуют водородные связи, причем сильные. И это существенно сказывается на зависимости относительной летучести этих веществ от глубины вакуума. Бензол и вода сильно различаются по природе. Бензол - органическое соединение, вода -неорганическое вещество. И, на самом деле, их относительная летучесть значительно зависит от температуры.
Для исследования влияния глубины вакуума на флегмовое число в связи с изменением относительной летучести компонентов выбраны бинарные смеси бензол - октан и ацетон - уксусная кислота. Равновесная линия на диаграмме состав-состав строилась с использованием уравнения фазового равновесия Фенске:
ах
У =-
1 + (а - 1)х .
Относительная летучесть а определялась при температурах 10°С и 100°С. Приняты мольные доли низкокипящего компонента (НК): в питании Хр=0,5; в кубовом остатке х„=0,03; в дистилляте Хо=0,97.
Рабочее флегмовое число определялось через минимальное флегмовое число:
р = 1,з/?т| п + 0,3
R,
min
х D ~ У F
*
У F ~ У F
где Ур - мольная доля НК в паровой фазе,
равновесной с жидкостью на тарелке питания.
Число теоретических тарелок найдено графическим способом (вписыванием
прямоугольных треугольников между равновесной и рабочей линиями в интервале x=xw-xD).
Для смеси бензол - октан при понижении температуры со 100°С до 10°С а увеличивается с 3,92 до 5,88, флегмовое число уменьшается с 1,04 до
0.75. число теоретических тарелок снижается с 8 до 5,5.
Для смеси ацетон - уксусная кислота при уменьшении температуры со 100°С до 10°С а растет с 8 до 20, флегмовое число падает с 0,61 до 0,36, число теоретических тарелок понижается с 4,5 до 3.
Снижение флегмового числа вызывает уменьшение расходов теплоносителей (греющего водяного пара в кипятильнике и охлаждающей воды в дефлегматоре), а также понижение диаметра проектируемой колонны при данной высоте.
Таким образом, увеличение глубины вакуума в ректификационной колонне приводит, как правило, к повышению относительной летучести компонентов. При этом снижается флегмовое число при данной степени разделения исходной смеси. Это положительно отражается на эекономике процесса ректификации (существенное уменьшение размеров проектируемой колонны и расходов теплоносителей).
Литература
1. Шинкевич А.И., Зарайченко И.А. Повышение инновационной активности в энерго- и ресурсосбережении на основе концепции «Технологических окон возможности». Вестник КТУ. Т.13, №9, 897-900 (2010).
2. Гарипов М.Г. Зависимость теплоты испарения углеводородов от сил межмолекулярного взаимодействия. Вестник КТУ. Т.16, №12, 18-20 (2013).
3. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей/ Под ред. Н.Б. Варгафтика. Наука, Москва, 1972.-720с.
4. Перри Дж. Справочник инженера-химика. Т.1, Химия, Ленинград, 1969.-640с.
5. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Химия, Ленинград,1987.-576с.
© М. Г. Гарипов - доцент кафедры ПАХТ НХТИ КНИТУ, [email protected].
© M. G. Garipov - docent department of Processes and devices of chemical technology NCHTI KNRTU, [email protected].
