Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.
— Москва, МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2014. — 168 с.
Специальность 05.17.04 – Технология органических веществ
Целью настоящей работы является определение
оптимальных структур технологических схем разделения трех- и
четырехкомпонентных зеотропных неидеальных смесей, что позволит
снизить энергетические затраты на ректификацию.
Научная новизна.
Впервые выявлены общие свойства динамических систем ректификации многокомпонентных смесей при конечных флегмовых числах.
Предложено математическое выражение аналогов единичных К- и α-многообразий, свойственных выбранной диффузионной модели и необходимых для выявления структур диаграмм динамических систем ректификации.
Впервые специальные (виртуальные) режимы ректификации описаны в терминах теории динамических систем и сшитых траекторий. Нами показано, что использование при анализе свойств отдельных специальных режимов или их сочетаний (гибридных режимов) позволяет качественно определить условия достижимости фракций необходимого состава, а также количественно оценить минимальные энергетические затраты на разделение многокомпонентных смесей в отдельном аппарате или в технологической схеме.
Для разделения зеотропных смесей разработан научно обоснованный подход к синтезу полного множества вариантов технологических схем ректификации, основанный на принципе «от технологической схемы к отдельному аппарату», построении графов разделения, вершинами которых являются активные фракции, с учетом повторения границ деления (модификация обобщенного графа) и использовании свойств специальных режимов ректификации. Данный подход является наглядным и позволяет сократить количество расчетов.
Теоретическая и практическая значимость.
Разработан общий подход к синтезу полного множества вариантов технологических схем ректификации многокомпонентных зеотропных смесей с построением графов разделения и анализом всех промежуточных фракций. Данный подход основан на принципе «от технологической схемы к отдельным аппаратам» и соответствует теории больших систем, согласно которой оптимальное функционирование технологической схемы не есть аддитивная сумма оптимального функционирования ее элементов.
На примерах разделения конкретных модельных и промышленных зеотропных трех- и четырехкомпонентных смесей даны рекомендации по ведению процесса в том или ином варианте технологической схемы, в зависимости от состава исходной смеси.
Результаты диссертационной работы включены в новый курс лекций «Специальные режимы ректификации», читаемый в МИТХТ им. М.В. Ломоносова в рамках подготовки магистров по направлению «Химическая технология». Содержание
Введение
Литературный обзор
Обратимая ректификация
Термодинамические потери в процессе ректификации
Режим минимального флегмового числа
Тангенциальный пинч
Режим бесконечной разделительной способности (бесконечная флегма в бесконечных колоннах)
Синтез оптимальных схем ректификации
Критерии оптимизации
Динамическая система ректификации
Общие свойства динамических систем ректификации многокомпонентных смесей
Структура и основные элементы математической модели непрерывной ректификации многокомпонентных смесей
Вывод и анализ простой математической модели процесса ректификации многокомпонентных смесей
Режим бесконечного флегмового числа и реализация особых точек динамической системы
Общие условия появления особых точек
Типы особых точек динамической системы ректификации
Специальные режимы ректификации
Режим четкого и получеткого разделения
Режим четкой ректификации
Режим обратимой ректификации
Режим первого класса фракционирования
Режим минимального флегмового числа
Пинч-режим
Режим ректификации при бесконечном числе ступеней разделения и бесконечном флегмовом числе
Аналоги единичных многообразий как элементы качественных исследований дистилляции и ректификации
Единичные К- и α-многообразия процесса открытого равновесного испарения
Теоретический анализ аналогов единичных К- и α-многообразий
Применение свойств отдельных специальных режимов для решения практических задач
Выявление активных фракций
Определение количества активных фракций в n-компонентных зеотропных смесях и построение графов разделения
Критерий выбора оптимального варианта разделения
Сравнение режимов первого и второго заданного разделения при ректификации трехкомпонентных зеотропных смесей
Сравнение режимов четкого разделения при ректификации трехкомпонентных зеотропных смесей
Анализ затрат на получение отдельных фракций при разделении четырехкомпонентных зеотропных смесей
Выводы
Список сокращений и условных обозначений
Словарь терминов
Список использованной литературы
Приложения
Научная новизна.
Впервые выявлены общие свойства динамических систем ректификации многокомпонентных смесей при конечных флегмовых числах.
Предложено математическое выражение аналогов единичных К- и α-многообразий, свойственных выбранной диффузионной модели и необходимых для выявления структур диаграмм динамических систем ректификации.
Впервые специальные (виртуальные) режимы ректификации описаны в терминах теории динамических систем и сшитых траекторий. Нами показано, что использование при анализе свойств отдельных специальных режимов или их сочетаний (гибридных режимов) позволяет качественно определить условия достижимости фракций необходимого состава, а также количественно оценить минимальные энергетические затраты на разделение многокомпонентных смесей в отдельном аппарате или в технологической схеме.
Для разделения зеотропных смесей разработан научно обоснованный подход к синтезу полного множества вариантов технологических схем ректификации, основанный на принципе «от технологической схемы к отдельному аппарату», построении графов разделения, вершинами которых являются активные фракции, с учетом повторения границ деления (модификация обобщенного графа) и использовании свойств специальных режимов ректификации. Данный подход является наглядным и позволяет сократить количество расчетов.
Теоретическая и практическая значимость.
Разработан общий подход к синтезу полного множества вариантов технологических схем ректификации многокомпонентных зеотропных смесей с построением графов разделения и анализом всех промежуточных фракций. Данный подход основан на принципе «от технологической схемы к отдельным аппаратам» и соответствует теории больших систем, согласно которой оптимальное функционирование технологической схемы не есть аддитивная сумма оптимального функционирования ее элементов.
На примерах разделения конкретных модельных и промышленных зеотропных трех- и четырехкомпонентных смесей даны рекомендации по ведению процесса в том или ином варианте технологической схемы, в зависимости от состава исходной смеси.
Результаты диссертационной работы включены в новый курс лекций «Специальные режимы ректификации», читаемый в МИТХТ им. М.В. Ломоносова в рамках подготовки магистров по направлению «Химическая технология». Содержание
Введение
Литературный обзор
Обратимая ректификация
Термодинамические потери в процессе ректификации
Режим минимального флегмового числа
Тангенциальный пинч
Режим бесконечной разделительной способности (бесконечная флегма в бесконечных колоннах)
Синтез оптимальных схем ректификации
Критерии оптимизации
Динамическая система ректификации
Общие свойства динамических систем ректификации многокомпонентных смесей
Структура и основные элементы математической модели непрерывной ректификации многокомпонентных смесей
Вывод и анализ простой математической модели процесса ректификации многокомпонентных смесей
Режим бесконечного флегмового числа и реализация особых точек динамической системы
Общие условия появления особых точек
Типы особых точек динамической системы ректификации
Специальные режимы ректификации
Режим четкого и получеткого разделения
Режим четкой ректификации
Режим обратимой ректификации
Режим первого класса фракционирования
Режим минимального флегмового числа
Пинч-режим
Режим ректификации при бесконечном числе ступеней разделения и бесконечном флегмовом числе
Аналоги единичных многообразий как элементы качественных исследований дистилляции и ректификации
Единичные К- и α-многообразия процесса открытого равновесного испарения
Теоретический анализ аналогов единичных К- и α-многообразий
Применение свойств отдельных специальных режимов для решения практических задач
Выявление активных фракций
Определение количества активных фракций в n-компонентных зеотропных смесях и построение графов разделения
Критерий выбора оптимального варианта разделения
Сравнение режимов первого и второго заданного разделения при ректификации трехкомпонентных зеотропных смесей
Сравнение режимов четкого разделения при ректификации трехкомпонентных зеотропных смесей
Анализ затрат на получение отдельных фракций при разделении четырехкомпонентных зеотропных смесей
Выводы
Список сокращений и условных обозначений
Словарь терминов
Список использованной литературы
Приложения