Синтез схем экстрактивной ректификации.

Схемы, содержащие простые двухотборные колонны.

Исследуемая смесь циклогексан – бензол – этилбензол является многокомпонентной, следовательно, ввиду поливаринтности процесса ректификации для ее разделения возможен ряд структур технологических схем. Для синтеза вариантов разделения используем методику, предложенную в [68], основанную на графовом представлении схем ректификации.

К настоящему времени сложилась классификация схем экстрактивной ректификации. Все возможные варианты разделения можно разбить на две большие группы [69]. К первой группе относятся схемы, в которых уже на первом этапе разделения применяется экстрактивный агент и, соответственно, снимаются термодинамико–топологические ограничения на составы продуктовых фракций. Вторая группа характеризуется предварительным фракционированием исходной многокомпонентной смеси вплоть до выделения фракции азеотропообразующих компонентов. Затем эту фракцию разделяют экстрактивной ректификацией.

Вначале приведем алгоритм синтеза схем разделения трехкомпонентной азеотропной смеси циклогексан (А) – бензол (В) – этилбензол (С), анилин (S) – разделяющий агент для случая, когда экстрактивный агент применяется на первой стадии разделения и, следовательно, подается в первую колонну:

Выбираем портрет парожидкостного равновесия в соответствии с классификацией Л.А. Серафимова [70]. В нашем случае это структура типа 3.1.0 т1а с прямой ориентацией дистилляционных линий (рис.13).

Синтезируем схемы ректификации четырехкомпонентной зеотропной смеси (рис.15 а-д) и представляем их в форме орграфов типа L (рис.16 а-д).

Рис.15. Схемы разделения (а-д) – четырехкомпонентной зеотропной смеси. А, В, С – компоненты смеси, S – тяжелокипящий агент, F – питание АВСS

Рис.16. Синтез графов – схем экстрактивной ректификации

В существующем наборе схем (рис.16 а-д) выделяем вершины, в которые необходимо направить ребро из S (экстрактивная колонна в схеме) и помечаем их. Для выбранного типа схем экстрактивной ректификации это вершины – колонны, первые по ходу разделения. Выделяем их темным кружком.

Проводим расщепление вершины F на Fn и S, удаляем вершину S, инциндентную исходящему ребру. Эта операция эквивалентна замене вершины F на Fn.

Связываем вершину S с помеченной вершиной-колонной ориентированным исходящим из S ребром и проверяем полученные структуры (рис.16 л-и) на работоспособность.

Из пяти полученных графов только два (рис.16 л, м) удовлетворяют условиям работоспособности. Они соответствуют технологическим схемам рис.17.

Рис.17. Работоспособные схемы для структуры парожидкостного равновесия 3.1.0.

Далее рассмотрим алгоритм синтеза для второго класса схем экстрактивной ректификации. Поскольку первоначально происходит фракционирование исходной смеси, то для всех схем такого класса характерно применение экстрактивного агента на любой из стадий разделения, кроме первой. Кратко рассмотрим основные стадии алгоритма:

Определяем тип диаграммы фазового равновесия (тип 3.1.0 т1а с прямой ориентацией дистилляционных линий).

Синтезируем схемы ректификации четырехкомпонентной зеотропной смеси. Но, определяя последовательность выделения компонентов, необходимо рассмотреть возможность фракционирования исходной смеси на азеотропную и зеотропную составляющие. Видно, что компонент С (в нашем случае – этилбензол) может быть выделен и без применения экстрактивной ректификации. Из предложенных пяти возможных вариантов разделения только одна схема (рис.18) отвечает этому условию.

Рис.18. Графы (а-в) и технологическая схема (г) экстрактивной ректификации.

Определяем вершины графа, в которые необходимо направить ребро из S (экстрактивная колонна в схеме) и помечаем их. Для выбранного типа схем экстрактивной ректификации это вершины – колонны разделения азеотропообразующих компонентов.

Организуем рецикл экстрактивного агента. В данном случае добавляем вершину, соответствующую подаче экстрактивного агента в колонну разделения азеотропной пары компонентов. На рис.18 б такая вершина обозначена S.

Проверяем полученные структуры на работоспособность. В этой схеме реализуется рецикл экстрактивного агента.

Таким образом, используя предложенный алгоритм, для разделения трехкомпонентной смеси с портретом фазового равновесия типа 3.1.0 т1а с прямой ориентацией дистилляционных линий нами было синтезировано три работоспособных схемы экстрактивной ректификации (рис. 19), две из которых принадлежат к группе схем с выделением азеотрообразующих компонентов в первой колонне и применением экстрактивной ректификации сначала разделения, третья схема относится ко второй группе схем с предварительным фракционированием смеси.

Рис. 19. Технологические схемы разделения смеси циклогексан – бензол – этилбензол экстрактивной ректификацией, разделяющий агент – анилин

Схемы, содержащие сложные колонны с боковыми секциями.

Следующим этапом синтеза схем экстрактивной ректификации является создание структур другого класса – схем со связанными тепловыми и материальными потоками, содержащих сложные колонны с боковыми секциями. Алгоритм синтеза основан на графовых преобразованиях технологических схем ректификации, ранее применяемый авторами [64, 71] для синтеза всех возможных вариантов схем разделения многокомпонентных зеотропных смесей, включающих сложные колонны. Поскольку трансформации по разработанным авторами [64, 71] правилам позволяют сохранить без изменений основные взаимосвязи между секциями колонн при операциях над потоковыми взаимосвязями между колоннами, можно определить все возможные варианты организации ТСР, содержащие сложные колонны.

В качестве начальных приближений будем использовать технологические схемы, состоящие из простых двухотборных колонн, синтезированные на предыдущем этапе. Напомним, что для системы циклогексан – бензол – этилбензол – анилин их три (рис. 19). Данные структуры являются схемами – прообразами, используя взаимосвязи которых, можно получить новые технологические решения – схемы-образы.

Представим схемы-прообразы (рис. 19) разделения смеси циклогексан – бензол – этилбензол – анилин в виде графов (рис.20 а, д, ж), вершины которого соответствуют сечениям, разделяющим секции, а ребра – потокам пара и жидкости внутри колонны и потоковым связям между колоннами. Произведем преобразования данных графов, соблюдая ряд правил:

Сохранение в неизменном виде экстрактивной части колонны схемы–прообраза (эта часть на рис.20 обозначена пунктирной линией).

Запрет на стягивание по ориентированному ребру, эксплицирующему рецикл экстрактивного агента.

В результате операции стягивания по ориентированному ребру (), эксплицирующему связь между колоннами, нами были получены графы схем, содержащих сложные колонны с боковыми секциями (рис.20 б, в, г, е, з).