Разработка энергосберегающих технологий процесса ректификации продуктов синтеза хлорбензола (стр. 6 из 8)
4.8.1. Модель UNIFAC [44-48]
Метод UNIFAC (universal functional activity coefficient – универсальный функциональный коэффициент активности) был разработан в 1975 году Фреденслундом, Джонсом и Праузницем. Данный метод рассчитывает величины коэффициентов активности на основе концепции группового вклада. Предполагается, что взаимодействия между двумя молекулами являются функцией взаимодействий между группами. Данные межгруппового взаимодействия получаются путем обработки экспериментальных данных для пар компонентов. Число функциональных групп ограничено.
Метод UNIFAC основан на модели UNIQUAC, которая представляет избыточную энергию Гиббса (и логарифм коэффициента активности) как комбинацию двух эффектов. Таким образом, используется уравнение:
(4.8.1.)Комбинационный член
рассчитывается непосредственно по уравнению UNIQUAC с использованием параметров площади и объема Ван дер Ваальса, рассчитанных по индивидуальным структурным группам : 
(4.8.2.)где:
(4.8.3.)NC – число компонентов;
NG – число различных групп в смеси;
z – согласованное число для пространственной решетки, равное 10;
– число функциональных групп типа k в молекуле i;Rk – параметр объема для функциональной группы k;
Qk – параметр площади для функциональной группы k;
xi – мольная доля компонента i в жидкой фазе.
Параметры группового объема и площади определяются из атомной и молекулярной структуры:
(4.8.4.)где : Vk, Ak = объем и площадь Ван дер Ваальса для группы k;
Остаточный член
определяется как: 
(4.8.5.)где: Гk = остаточный коэффициент активности группы k в смеси;
= остаточный коэффициент активности группы k в стандартном растворе, содержащем только молекулы, состоящие из групп типа i.Остаточный коэффициент активности определяется выражением:
(4.8.6.)где : m, n = 1, 2, ..., NG.
Параметр τmn определяется как
(4.8.7.)где : amn – параметр бинарного взаимодействия для групп m и n.
Принимается, что параметр бинарного взаимодействия amn постоянен и не зависит от температуры.
Целью данной работы являлась структурная и параметрическая оптимизация технологической схемы разделения смеси бензол-хлорбензол-дихлорбензол для снижения энергозатрат на разделение.
Для достижения поставленной цели необходимо:
• выбрать математическую модель парожидкостного равновесия, адекватно описывающую экспериментальные данные;
• синтезировать схемы разделения;
• произвести расчет ректификации и выбрать решение, обеспечивающее минимальные энергозатраты.
6. Расчетная часть.
6.1. Методы и алгоритмы исследования
В настоящей работе для математического моделирования схем ректификации использован лицензионный программный комплекс PRO/II with PROVISION компании SIMSCI corp., обеспечивающий моделирование и расчет технологических схем ректификации.
PRO/II - компьютерный комплекс для инженерных расчетов процессов органического синтеза и нефтехимии, технологии полимеров и др. Он объединяет базы данных химических компонентов и расширенных методов расчета термодинамических свойств с гибкими методами расчета аппаратов. Программа обладает вычислительными средствами для выполнения расчетов всех материальных и энергетических балансов необходимых для моделирования большинства статических процессов. Экспертные системы, расширенная обработка входных данных и проверка ошибок обеспечивают его высокую эффективность и надежность.
6.2. Расчет ректификации
Все алгоритмы ректификации в программе PRO/П представляют собой строгие модели равновесных ступеней контакта. В каждой модели решаются тепловой и материальный балансы и уравнения равновесия жидкость - пар.
Программа PRO/II предлагает четыре различных алгоритма моделирования ректификационных колонн:
алгоритм Inside/Out (I/O),
алгоритм Sure,
алгоритм Chemdist и
алгоритм ELDIST.
Алгоритм I/O может быть использован для решения большинства задач нефтепереработки и обладает высоким быстродействием. В настоящей работе расчет колонн ректификации проводился по этому алгоритму.
Алгоритм подразделяется на внешний и внутренний циклы. Во внутреннем цикле решаются тепловой и материальный балансы и обеспечиваются заданные требования. Во внутреннем цикле используются методы, основанные на расчете коэффициентов активности на основе концепции группового вклада.На рис. 6.2.1. показана схематическая диаграмма простой ступени контакта.
 |
Рис. 6.2.1.. Схема простой ступени контакта алгоритма I/O.
Тепловой баланс для ступени контакта j выглядит следующим образом:(6.2.1)
 |
где: V— расход пара, покидающего ступень контакта;
где: V— расход пара, покидающего ступень контакта;
L - расход жидкости, покидающей ступень контакта;
Ls — жидкостной боковой погон;
Vs - паровой боковой погон;
Материальный баланс по компоненту для данной ступени контакта через расходы жидкости и паров при следующей зависимости для равновесных составов обеих фаз:
где К представляет собой соотношение равновесной фугитивности пар - жидкость, может быть записан как:
 |
(6.2.2.)
где: - расход жидкого компонента;
v - расход парового компонента;
f- расход компонента сырья.
6.3. Объект исследования
В качестве побочных продуктов при синтезе хлорбензола получаются дихлорбензолы и трихлорбензолы. Общее содержание побочных продуктов в потоке приблизительно равно 1,5% масс. Так как в этой работе не ставилась задача получения всех побочных продуктов в качестве отдельных продуктовых потоков в рассматриваемой нами смеси все побочные продукты были заменены на самый легкокипящий из них – метадихлорбензол. Далее смесь продуктов синтеза хлорбензола будет рассматриваться как трёхкомпонентная зеотропная смесь: бензол - хлорбензол - метадихлорбензол. В качестве технических требований к готовым продуктам приняты требования по ГОСТ 646-73 для хлорбензола и по ОСТ 6-01-392-74 для дихлорбензола. Качество продуктов в мольных долях соответствующее стандартам приведено в таблице 6.3.1.Составы потоков в мольных долях.
Таблица 6.3.1.
| Компоненты | Поток питания | Бензол | Хлорбензол | Дихлорбензол |
| Бензол | 0,7258 | 0,9965 | 0,0015 | 0,0 |
| Хлорбензол | 0,2652 | 0,0035 | 0,9985 | 0,026 |
| Метадихлорбензол | 0,009 | 0,0 | 0,0 | 0,974 |
Индивидуальные свойства компонентов представлены в таблице 6.3.2.
Физико-химические свойства чистых компонентов
Таблица 6.3.2.
| Ткип, ◦С | Плотность, кг/м3 | Молекулярная масса, г/моль | |
| Бензол | 80,09 | 883,92 | 78,11 |
| Хлорбензол | 131,68 | 387,0 | 112.56 |
| М-Дихлорбензол | 172,81 | 1288,1 | 147,004 |
Коэффициенты уравнения Антуана.
Таблица 6.3.3.
| А | В | С | |
| Бензол | 15,9008 | 2788,51 | -52,36 |
| Хлорбензол | 16,0676 | 3295,12 | -55,6 |
| М-Дихлорбензол | 16,8173 | 4104,12 | -43,15 |
Самый легколетучий компонент в исследуемой смеси - бензол, который является родоначальником углеводородов ароматического ряда. Химические свойства пределяются наличием в молекуле стабильной замкнутой системы
-электронов. Для бензола характерна устойчивость к действию высоких температур и окислителей. Лишь выше 650 0С он частично превращается в дифенил, выше 750 0С разлагается на углерод и водород