Декомпозиция ректификационных колонн разделения криогенных смесей

В современной технической литературе существуют различные подходы к анализу процесса ректификации бинарных и многокомпонентных смесей на ЭВМ [13, 31, 35, 36].

Определенный интерес представляет моделирование процесса ректификации разделяемых смесей [10, 37] в тарельчатых колоннах, в результате которого решается одномерная распределенная задача и определяются чистота получаемых продуктов разделения и распределение компонентов смеси по высоте ректификационного аппарата по заданному флегмовому числу, количеству теоретических тарелок, тарелок питания и другим параметрам. Варьирование вводимых параметров позволяет получить статистические характеристики колонных аппаратов при ректификации бинарных и многокомпонентных смесей. Наряду с этим ЭВМ применяется для решения расчетных задач. Так, в работах [30, 31] излагается прямой метод расчета процесса разделения тройной смеси азот-аргон-кислород, который позволяет по заданным концентрациям получаемых продуктов разделения определить число тарелок в воздухоразделительном аппарате и другие параметры. Благодаря этому накоплен большой расчетный материал, позволяющий достаточно точно предварительно определить число теоретических тарелок в воздухоразделительной колонне при различных режимах ее работы.

В современных криогенных установках разделения смесей узел ректификации состоит, как правило, из нескольких тарельчатых ректификационных колонн. При разработке узлов ректификации используют простые колонны с одним вводом питания F и выводом дистиллята D и кубовой жидкости R в качестве продуктов разделения (рис. 1, а) и сложные колонны (рис. 1, б), когда в колонну вводят несколько потоков питания F1, F2, F3 и наряду с потоками D и R есть боковые выводы продуктов разделения W1 и W2.

Структурно простая ректификационная колонна состоит из четырех стандартных элементов: куба-испарителя JR (i = 1), дефлегматора-конденсатора JD (i = n + 1), i-й тарелки (рис. 2) и тарелки питания (i = f) (рис. 3).

Рис. 1. Структурные схемы ректификационных колонн:

а — простая; б — сложная (m, l, f — номера тарелок питания) Колонные аппараты в зависимости от компоновки могут быть «открытые» сверху или снизу. Например, в колоннах двукратной ректификации воздуха и трехкратной ректификации смеси водород-водорододейтерий верхние тарельчатые аппараты «открыты» сверху и структурно заканчиваются тарелкой питания, а аргонная колонна может быть «открыта» снизу.

Питание ректификационных колонн может поступать в жидком, парообразном и парожидкостном состоянии. При подаче в колонну насыщенного или перегретого пара (см. рис. 3, б) принимаем, что поступивший пар полностью перемешивается с паром, поднимающимся с тарелки питания. При этом может отсутствовать равновесие между смешанным паром и жидкостью на тарелке питания. В отношении питания, вводимого в виде насыщенной или переохлажденной жидкости (см. рис. 3, а, г), принимаем, что оно полностью перемешивается с жидкостью на тарелке питания, а пар, уходящий с этой тарелки, является равновесным.

Рис. 2. Расчетные схемы элементов ректификационной колонны

а — i-й тарелки; б, г, в, д — полного и парциального, соответственно, куба и дефлегматора.

а, г — насыщенной или переохлажденной жидкостью; б — насыщенным или перегретым паром; в — насыщенным паром и жидкостью При подаче парожидкостного питания (см. рис. 3, в) жидкая часть питания DL поступает на тарелку, полностью перемешивается с находящейся на ней жидкостью и достигает состояния равновесия с паром непосредственно над тарелкой питания. Паровая часть DG полностью перемешивается с паром тарелки питания и поступает на вышерасположенную тарелку. Энергетическое состояние потока питания может быть задано долей пара LG .