книги из ГПНТБ / Разделение смесей кремнийорганических соединений

Однократная перегонка

На основе материального баланса перегонки можно записать следующие соотношения [26, 2111:

где х;, tji — составы жидкости и паров после однократной пере­ гонки; xt р — состав исходной смеси; е = D/F — мольная доля отгона; — константа равновесия г-того компонента.

Для расчета составов фаз однократной перегонки необходимо знать долю отгона е, расчет которой выполняют по уравнению (II, 4) методом последовательных приближений. При малых долях отгона предпочтительно пользоваться следующим уравнением, аналогичным уравнению (II, 4):

Константы равновесия рассчитывают при температуре tF и давлении в эвапораторе. При отсутствии специальных данных по этим константам их определяют как отношение давления паров соответствующего компонента при температуре tF к давлению в эвапораторе.

Постепенная перегонка

Постепенная перегонка многокомпонентных смесей обеспе­ чивает последовательное удаление отдельных компонентов, на­ чиная с самого легколетучего. Однако при этом выкипают и более высококипящие компоненты, поэтому обычно получаемые фрак­ ции содержат различные компоненты.

Для расчета процесса используют следующее уравнение [26]:

где е — доля отгона смеси; xiF, xiW — содержание г-того компо­ нента соответственно в исходной смеси и в кубовой жидкости; хэр, xaW— то же, для эталонного компонента.

Величину x3W определяют из уравнения

(О

55

В качестве эталонного компонента может быть выбран, в част­

Для вычисления интеграла в правой части уравнения необ­ ходимо знать, какова взаимосвязь между х и у. Обычно прини­

Уравнение (II, 12) часто используют для определения сред­ ней относительной летучести бинарной смеси.

Средний состав отогнанного продукта можно определить из материального баланса перегонки

—. W p x p — W x w

Средний состав каждой порции AD дистиллята D определяют по уравнению

D+AD

D

56

Аналогичным образом можно выполнить расчеты постепенной

конденсации паров. Основное расчетное уравнение этого процесса [211] имеет вид

X

Xо

где G — масса конденсата; индекс «О» обозначает начало кон­ денсации .

Перегонка многокомпонентных смесей в присутствии инертного газа или водяного пара

Для снижения температуры перегонки или по другим техно­ логическим соображениям применяют перегонку в потоке инерт­ ного носителя (отпаривающего агента).

Поскольку хлорсиланы легко гидролизуются, применение водяного пара для их перегонки исключается, поэтому следует пользоваться инертными газами, такими, как азот, двуокись углерода и др. Из этих наиболее дешевых инертных газов пер­ вому следует отдать предпочтение, так как его расход будет су­ щественно меньше вследствие меньшего молекулярного веса.

Перегонка с инертным агентом, в известной мере, эквивалент­ на работе при пониженном давлении.

Расчет однократной перегонки в присутствии отпаривающега агента. Общее давление Р системы в случае присутствия инерт­ ного агента, имеющего давление Pz, складывается из этого дав­ ления и суммарного давления компонентов смеси р е в паровой фазе, т. е. Р = pz + ре.

На основании закона Дальтона можно записать следующее соотношение [26]:

elV f JPe________Ре

(П ,16)

Z ~ PZ ~ Р — Ре

где eWF — число отогнанных молей смеси; Z — число молей инертного агента, пошедшего на перегонку.

Перейдя к массовым единицам, получим следующее уравнение-

1211]:

где Ge, Gz — массы соответственно отогнанных паров смеси и от­ паривающего агента; Ме, Mz — мольные массы тех же п отоков.

Уравнение равновесия для данного случая [26] запишется в виде

57

Концентрации компонентов смеси у %и хь удовлетворяют усло­

отпаривающего агента облегчает переход компонентов в паровую фазу. Однако это же обстоятельство затрудняет последующую

е -4~ к ж

Расчет постепенной перегонки в присутствии отпаривающего агента. Этот вид перегонки применяют при отгонке легколету­ чих компонентов от практически нелетучего растворителя (ку­ бового остатка).

Для бинарных смесей зависимость между потоками отпариваю­ щего агента и отпариваемого компонента определяется [543] уравнением

компонента в кубе (в загрузке); р — давление насыщенных паров отпариваемого компонента при температуре перегонки; Е — эффективность испарения, равная отношению действительного парциального давления отпариваемого компонента к равновес­ ному.

В первом приближении можно принять, что Е = 1.

Расход отпаривающего агента при отгонке многокомпонент­ ной смеси от нелетучего растворителя (кубового остатка) можно рассчитать 126] по уравнению:

58

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ РЕКТИФИКАЦИЯ

Периодическая ректификация применяется как для отделения низкокипящих или высококипящих примесей кремнийорганических соединений, так и для выделения широких фракций или чи­ стых компонентов из многокомпонентных кремнийорганических смесей.

Расчет периодической ректификации существенно зависит от массы жидкости, задерживаемой в колонне (задержка колонны). Данный процесс является нестационарным вследствие непрерыв­ ного изменения масс и составов потоков. Потому расчет периоди­ ческой ректификации довольно сложен даже для бинарных сме­ сей, а для многокомпонентных смесей точное решение задачи может быть получено лишь с помощью ЭВМ [207, 235, 414, 431, 441, 477, 478, 493, 518, 523, 560].

Вместе с тем, отдельные моменты расчета периодической ректификации с достаточной для практических целей точностью могут быть реализованы на основе сравнительно простых при­ емов.

Периодическая ректификация бинарных смесей

Расчет колонны при полном возврате флегмы. Этот вариант применяют перед выводом колонны на рабочий режим, а также при переходе с одной фракции на другую.

Состав жидкости в кубе колонны xFo после установления рав­ новесия до отбора продукта находят из уравнения [560]

где WF, xF — масса и состав смеси, загруженной в куб колонны; Н — задержка жидкости в колонне; а — относительная летучесть компонентов смеси; N — число теоретических тарелок колонны, включая куб и конденсатор.

Усредненный состав жидкости, находящейся в колонне, хн определяется уравнением

Состав жидкости в кубе колонны xFo и в дистилляте х Do свя

Минимальное флегмовое число и число теоретических тарелок. Для расчета этих величин, характеризующих предельные слу­ чаи разделения, были получены [415, 612] уравнения, в которых

5»

используется понятие полюсного расстояния S. На рис. П-1 показано графическое определение величины 5 по кривой раз­ гонки. Полюсное расстояние 5 определяется уравнением

Более точное уравнение с учетом задержки колонны получено в работе [612]

Согласно работе [612], уравнение (11,31) дает приемлемые ре­ зультаты при 5 > 20; при 5 < 20 величины RMfiH получаются заниженными.

При переходе к рабочим значениям N к R значения Ммин и ^мин> рассчитанные по уравнениям (II, 29) и (II, 31), рекомен­ дуется удваивать.

6 0

Расчет колонны с отбором дистиллята (при рабочем флегмо вом числе). Основное расчетное уравнение [6131 имеет вид

избытка флегмы по отношению к минимальной; С — коэффи­ циент, приблизительно равный 0,5.

IJ £

Рис. II-2. Номограмма для расчета периодической ректификации: /' — IV — поля соответствующих графиков номограммы.

61

Между полюсным расстоянием S и массой промежуточной фракции / имеется [613] следующее соотношение:

Величину / выбирают в зависимости от начальной загрузки куба колонны.

Коэффициент а: в уравнении зависит от четкости разделения и равен [613]

0,90—0,10 1,18 0,95—0,05 1,70 0,99—0,01 6,0

Для облегчения расчетов по уравнению (II, 33) была предло­ жена [613] номограмма, приведенная на рис. 11-2.

Периодическая ректификация многокомпонентных смесей

Как мы уже упоминали, периодическая ректификация бинар­ ных смесей поддается приближенному расчету на основе доста­ точно простых уравнений; для многокомпонентных же смесей расчет может быть выполнен только с применением ЭВМ. Причем даже в этом случае на расчет составов дистиллята и куба при работе без отбора дистиллята (полный возврат флегмы) может уйти несколько часов [207]. Некоторое ускорение решения дает использование метода характеристических температур 1235].

Для приближенного определения числа тарелок и флегмового числа можно пользоваться методикой, рекомендуемой для расчета колонн, работающих с отбором дистиллята. В этом случае много­ компонентную смесь разбивают на ряд последовательных бинар­ ных пар и к каждой такой бинарной смеси применяют уравнение (11,33) или упомянутую ранее номограмму. При этом под Ws по­ нимают сумму всех более высококипящих, чем данный, компонен­ тов, от которых его отделяют; эту сумму выражают в долях на­ чальной загрузки куба.

При переходе от одной бинарной пары к другой количества и составы промежуточных фракций могут изменяться, что должно сказаться на наклонах соответствующих дистилляционных кри­ вых и величинах полюсных расстояний.

НЕПРЕРЫВНАЯ РЕКТИФИКАЦИЯ

Наиболее общим методом расчета ректификационных колонн можно считать потарелочный расчет, как правило, требующий при­ влечения ЭВМ. Для получения более простых решений при доста­ точно высокой точности могут быть приняты допущения о по­

62

стоянстве потоков пара и жидкости по высоте всей колонны или

•отдельных ее участков, постоянстве относительных летучестей компонентов смеси и т. п.

Различные схемы простых ректификационных колонн приве­ дены на рис. П-З.

Ректификация бинарных смесей

Приведем метод расчета [160], учитывающий эффективность тарелки (к. п. д. Мерфри), частным случаем которого является расчет по теоретическим тарелкам [26, 39, 577].

Уравнение рабочей линии запишем в виде

ны; хп — состав жидкости, стекающей с я-ой тарелки; хр — состав дистиллята или кубовой жидкости для соответствующей части колонны; Ф = L/G — внутреннее флегмовое число (для кон­ центрационной части колонны Ф < 1, для отгонной части —-

Ф > 1).

Старые координаты (х , у) заменим новыми (X, Y), определяе­

мыми соотношениями

X— Xl

Уп — У\

63

Смысл сделанной замены координат ясен из рис. П-4. Координаты точек пересечения равновесной и рабочей ли­

ний:

Эффективность тарелки при взаимодействии пара и жидкости (к. п. д. Мерфри)

Нис. П-4. Схема расположения харак­ терных точек и линий при преобразо­ вании координат х, у в X, Y:

При расчете числа теоретических тарелок Ет — 1; в общем случае Ему Ф 1. Если число тарелок в колонне (или в рассмат­ риваемой части колонны) равно N, то расчетное уравнение, свя­ зывающее концентрации разных сечений колонны, имеет вид

из работ 126, 39, 577].

64