Окисление цыклогексанола

 

4. Матеріальний та тепловий баланси технологічного об’єкта

 Схема ректифікаційної  установки наведена на рис.4.1

 Рис. 4.1. Схема ректифікаційної установки

1. -  ректифікаційна колона;

       2 -  підігрівач потоку живлення;

       3 -  кип'ятильник;

       4  -  конденсатор (дефлегматор);

       5  -  флегмова ємність.

Опис установки.

Об'єкт  керування  -  ректифікаційна установка для виділення з вихідної рідкої суміші цільового компонента в складі дистиляту.

Процес  масопередачі відбувається на тарілках зміцнювальної (верхньої) і вичерпної (нижньої) частин колони в результаті взаємодії рідкої і парової фаз, що рухаються в колоні навпроти один одному.

Рушійна сила  -  різниця між рівноважною і робочою концентраціями цільового компонента в рідкій або паровій фазі: і відповідно.

Робота  установки.

Вихідна суміш G_п (G_xf) нагрівається в підігрівнику (рис.4.1) потоку живлення 2 до температури кипіння θ_п⁰ і подається в колону 1 на тарілку живлення (i=f).

Вихідна суміш стікає по тарілках нижньої частини колони у вигляді рідинного потоку G_x у куб колони, беручи участь у масообмінному процесі з паровим потоком G_y.

З куба колони виводиться кубовий продукт G_куб. Частина кубового продукту подається в кип'ятильник 3, де випаровується з утворенням парового потоку G_y0 , що подається в низ колони.

Паровий потік  піднімається нагору колони, контактуючи з рідким потоком  і збагачуючись цільовим компонентом.

Збагачений цільовим компонентом паровий потік G_yn виводиться з верху колони і подається в дефлегматор 4, де конденсується.

Конденсат збирається у  флегмовій ємності 5. Зі збірника флегми відбирається два потоки:

• потік дистиляту G_д -  цільовий продукт;
• потік флегми G_фл  -  рідка фаза, використовувана для зрошення верха колони.

Рис 4.2. Структурна схема ректифікаційної установки.

Математичний  опис низу колони

Процеси, що відбуваються у низу колони, показані на рис.4.3.

Рис.4.3. Структурна схема куба та кип’ятильника

Тепловий баланс низу колони (θ  _н = θ ₀₎.

• Рівняння динаміки:

 .                  (4.1)

• Рівняння статики:

G_гр r_гр  + G_х1 C_рх1 θ _х1 = G_y0 r_k + G_kC_pk θ _н .                                                (4.2)

• На підставі (4.1) і (4.2) можна вважати:

θ _н = f (G_гр, G_к ).

• Кращий керуючий вплив G_гр .

Матеріальний баланс по всій речовині.

• Рівняння динаміки :                          

  .                                                                   (4.3)

• Рівняння статики : 

G _x1 =  G _k + G _y0 ,                                                                                       (4.4)

де ρ _k - щільність кубової рідини , кг/м³;

      S _k - перетин куба колони, м² ;

      h _k - рівень кубової рідини, м;

     G _x1 , G _k , G _y0 - масові витрати потоків у кубі колони.

• На підставі (4.3) і (4.4) можна вважати:

h _k = f(G _k ,G _y0 ).

• Кращий керуючий вплив G_k .

Матеріальний  баланс по легколетючому компоненті.

• Рівняння динаміки:                    

  .                                                (4.5)

• Рівняння статики:

G _x1 C _x1 = G _k C _до + G _y0 C _y0 .                                                                 (4.6)

• Основні допущення:
• кип'ятильник з повним випаром, тобто C _y0=C _x0;
• тепловий баланс кип'ятильника:

.

Позначення:

 М₀ - маса рідини в нижній частині колони, кг; 

r _гр - питома теплота конденсації пари, дж/кг;

r _k - питома теплота випару кубової рідини, дж/кг.

• На підставі (4.3) і (4.4) можна записати:

.

• Кращий керуючий вплив G_гр .

Математичний  опис верха колони.

Процеси, що відбуваються у верхній частині колони, показані на рис.4.4.

Рис.4.4. Структурна схема дефлегматора з флегмоною ємністю

Матеріальний баланс по всій речовині.

• Рівняння динаміки:

 ,                                               (4.7)

де θ _фл  - щільність флегми , кг/м³ ;

      S_фл  - перетин флегмовой ємності , м² ;

      h_фл - рівень флегми , м;

      G_yn, G_фл, G_дист - масові витрати, кг/с.

 Рівняння статики:

G_yn = G_фл + G_{дист .}                                                                        (4.8)

• На підставі (4.7) і (4.8) можна вважати:

h_фл=f(G_yn, G_фл, G_д )

• Кращий керуючий вплив G_дист .

Матеріальний баланс по цільовому  компоненті.

• Рівняння динаміки: 

  .                                    (4.9)

• Рівняння статики:

G_yn C_yn = G_дист C_{x n+1} + G_фл C_{x n+1} .                                                         (4.10)

• На підставі (4.9) і (4.10) можна вважати:

C_дист=f(G_yn, G_фл, G_д ).

• Кращий керуючий вплив G_фл .

Тепловий баланс верха колони (θ _у = θ _н).

Структурна схема n-ої тарілки показана на рис.4.5.

Рис.4.5. Структурна схема n-ої тарілки

• Рівняння динаміки:

                              (4.11)

• Рівняння статики:

G_yn-1*C_pyn-1 * θ _yn-1 + G_фл*C_рфл * θ _фл =

G_yn *C_pyn * θ _у + G_xn *C_pxn * θ _у .                                                      (4.12)

• Позначення:
• М_xn - маса парової фази нагорі колони;
• C_pyn, C_py,n-1, C_рфл, C_pxn - питомі теплоємності парової і рідкої фази

         на n-ої тарілці;

• G_yn-1, G_yn, G_xn - витрати парової і рідкої фази на n-ої тарілці.
• На підставі (4.11) і (4.12) можна вважати:
• Кращий керуючий вплив G_фл .

 Баланс по паровій фазі.

Структурна  схема конденсатора без флегмової ємності показана на рис.4.6.

Рис.4.6. Структурна схема конденсатора без флегмової ємності

• Рівняння динаміки: 

     .                                                  (4.13)

• Рівняння статики:

 .                                                                              (4.14)

• Особливості:
• Рішення рівняння динаміки для  p_в  дає вираз для інтегральної ланки.
• Якщо врахувати вираз G_yn = f (p_в ), то ланка виходить аперіодичною 1-го порядку.
• G_yк = f (G_хл ), можна одержати на підставі теплового балансу конденсатора: 

.                                                                    (4.15)

• На підставі (4.13), (4.14) і (4.15) можна прийняти:P_в =f(G_хл).

Таблицю матеріальних потоків  технологічного процесу окислення анолону приведено в таблиці 4.1.

Таблиця 4.1.    Таблиця матеріальних потоків
Номер потоку на схемі	Склад  ( м3/год/%)
	Анолон	Азотна кислота	Вода	Адипінова кислота	Глутарова кислота	Янтарна кислота	Оцтова кислота	Двохокись вуглецю	Закись азоту	Двохокись азоту	Окись азоту	Азот	Кисень	Мідь	Ванадій
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
1.	2,38/100	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
2.	-	247,42/ 40,5	184,86/30,26	119,13/19,5	38,86/6,36	19,43/3,18	-	-	-	-	-	-	-	-	-
3.	243,04/39,63	186,01/30,34	122,35/19,95	38,94/6,35	19,47/3,175	0,017/0,003	0,22/0,036	-	1,94/0,316	-	-	-	-	0,92,/0,15	0,31/0,05
4.	-	-	-	-	-	-	-		-		-	2,15/76,9	0,64/23,1	-	-
5.	-	0,31/5,25	0,58/10,8	-	-	-	-	0,22/2,71	1,11/19,4	0,73/12,55	0,07/1,18	2,15/37,09	0,65/11,1	-	-

 

 

 

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16
6.	-	242,73/39,77	185,51/30,43	122,35/20,04	38,94/6,35	19,47/3,2	0,017/0,003	-	-	0,041/0,006	-	-	-	0,92/0,151	0,31/0,05
7.	-	0,003/0,022	13,63/99,68	-		-	-	0,017/0,125	-	-	0,039/0,285	-	-	-	-
8.	-	244,27/40,17	181,71/29,88	122,52/20,15	38,94/6,4		-	-	-	-	-	-	-	0,92/0,15	0,31/0,05
9.	-	1,5/30,76	3,5/69,74	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-

 

Тепловий баланс ректифікаційної колони

Тепловий баланс ректифікаційної  колони неперервної дії  складається  для визначення витрати гріючої  пари на процес ректифікації.

Прихід теплоти:

з вихідною сумішшю;

;

з флегмою;

;

з гріючим паром;

.

Витрата тепла:

з кубовим залишком;

;

з парами низькокиплячого компонента із колони;

;

з конденсатом гріючого пару;

.

Втрати теплоти  в навколишнє середовище .

Таким чином :

.

Підставивши в  це рівняння  , дістанемо:

.

Витрата гріючого пара в  кубі:

.

Витрата гріючого пара на нагрівання вихідної суміші в підігрівнику:

.

Витрата охолоджуючої води в дефлегматорі:

.