Wykorzystanie symulatora Chemcad do modelowania destylacji heteroazeotropowej mieszanin zawierających wodę i etanol

Transkrypt

1 Andrzej Wyczesany* Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki Wykorzystanie symulatora Chemcad do modelowania destylacji heteroazeotropowej mieszanin zawierających wodę i Use of Chemcad simulator for modelling heterogeneous azeotropic distillation of water and ethanol-containing mixtures Przedstawiono możliwości modelowania destylacji heteroazeotropowej mieszanin --węglowodór przy użyciu profesjonalnego symulatora Chemcad. Rozważono możliwości produkowania czystego (99,99%) u oraz komponentu do benzyn silnikowych zawierającego ok. 9% u i % węglowodoru. Uwzględniono trzy metody, którymi można opisać zarówno równowagi ciecz-para, jak i ciecz-ciecz oferowane przez symulator w ich oryginalnej postaci (równanie, metoda i model ) oraz równanie ze współczynnikami specjalnie osobno dopasowanymi z eksperymentalnych danych równowagi cieczciecz-para (-VLL). Przedstawiono z jaką dokładnością poszczególne modele przewidują eksperymentalne temperatury i stężenia trójskładnikowych azeotropów dla mieszanin --węglowodór, gdy tym ostatnim jest cykloheksan, n-heksan, n-heptan, izooktan lub toluen. Zilustrowano również dla poszczególnych modeli dokładność przewidywania stężeń równowagowych mieszanin ciecz-ciecz powstałych po wykropleniu oddestylowanego heteroazeotropu. Okazało Dr inż. Andrzej WYCZESANY w roku 197 ukończył studia na Wydziale Inżynierii i Technologii Chemicznej Politechniki Krakowskiej. Obecnie jest zatrudniony na stanowisku adiunkta na tej Uczelni. Specjalność termodynamika chemiczna, technologia ropy i gazu. * Autor do korespondencji: Instytut Chemii i Technologii Organicznej, Wydział Inżynierii i Technologii Chemicznej, Politechnika Krakowska, ul. Warszawska, 1-1 Kraków, tel.: (1) , fax: (1) , awyczes@chemia.pk.edu.pl się, że model -VLL znacznie przewyższa swą dokładnością pozostałe metody. Jako jedyny przewiduje zgodnie z eksperymentem, że w układzie --toluen występuje trójskładnikowy homoazeotrop, podczas gdy pozostałe modele przewidują heteroazeotrop. Sepn. of ternary H O-EtOH-hydrocarbon mixts. by heteroazeotrope distn. to pure EtOH and the dry EtOH-hydrocarbon (9: by mole) mixt. was simulated by using usual models and the model fitted with reliable vapour-liq.-liq. equil. data. The best agreement with exptl. data was achieved in the last case. A homogenous azeotrope was predicted in the H O-EtOH-PhMe system. Heterogeniczna destylacja azeotropowa jest używana do rozdziału dwuskładnikowych mieszanin azeotropowych na czyste składniki. Klasycznym przykładem jest tu mieszanina - rozdzielana za pomocą benzenu. W układzie powstaje trójskładnikowy heteroazeotrop o niższej temperaturze wrzenia od temperatur wrzenia wszystkich dwuskładnikowych azeotropów i czystych składników tej mieszaniny. Odbiera się go zatem górą kolumny destylacyjnej, a dołem odchodzi czysty. Heteroazeotrop po wykropleniu rozdziela się na fazę benzenową, zawracaną jako orosienie do kolumny suszącej, i fazę wodną idącą do osobnej kolumny odprowadzającej górą trójskładnikowy heteroazeotrop, a dołem czystą wodę. Obecnie w miejsce benzenu stosuje się inne węglowodory. Kolejne przykłady trójskładnikowych heteroazeotropów pojawiają się w mieszaninach -alkohol-ester lub -kwas organiczny-ester powstających w procesach estryfikacji. Szczególnego znaczenia nabiera ostatnio proces osuszania u dodawanego jako wysokooktanowy komponent do benzyn. Nie musi on być czystym alkoholem i może zawierać węglowodory, pod warunkiem, że zawartość wody jest minimalna. Schemat technologiczny takiego osuszania można analizować za pomocą profesjonalnego symulatora procesów technologicznych Chemcad 1). Należy jednak pamiętać, że otrzymane wyniki obliczeń są bardzo mocno uzależnione od prawidłowo dobranego modelu termodynamicznego, który w tym przypadku powinien jak najdokładniej opisywać zarówno równowagę ciecz-para (VLE), jak i równowagę ciecz-ciecz (LLE). Procesy destylacji hetero- 90/7(011) 119

2 azeotropowej rozważanych układów prowadzi się pod ciśnieniem atmosferycznym, a więc modele równowagowe powinny być oparte na obliczaniu współczynników aktywności ułamkowej γ. Za najdokładniejsze uważa się obecnie równanie i metodę ze współczynnikami dopasowanymi dla konkretnego układu z danych eksperymentalnych. Niezłą dokładnością charakteryzuje się również metoda oparta na udziałach grupowych, a więc nie wymagająca danych eksperymentalnych. Wszystkie te metody używają takich samych wzorów obliczeniowych dla obydwu równowag (VLE i LLE). Niestety, występujące w tych wzorach współczynniki liczbowe dopasowywane z danych eksperymentalnych (metody i ) są zupełnie inne dla każdego typu równowagi. Także metoda ma inne wartości liczbowe współczynników oddziaływań poszczególnych grup charakterystycznych dla obu typów równowag. Na dodatek współczynniki dopasowane do równowagi ciecz-para źle przewidują równowagę ciecz-ciecz i na odwrót. W tej sytuacji optymalnym rozwiązaniem jest dopasowanie tych współczynników do danych eksperymentalnych równowagi trójfazowej ciecz-ciecz-para (VLLE). Uzyskuje się wtedy bardzo korzystny kompromis. Jeden zestaw współczynników opisuje z dobrą (choć nie bardzo dobrą) dokładnością zarówno VLE, jak i LLE. Jak przedstawiono w pracy ) dla układów --węglowodory najlepszą dokładność opisu równowag VLLE wykazuje równanie (dalej nazywane -VLL). Symulator Chemcad ma w swojej bazie danych odpowiednie współczynniki równań i dla rozpatrywanych w pracy układów -węglowodory. Pozwala również użytkownikowi dopasować te współczynniki poprzez regresję z danych eksperymentalnych, ale tylko VLE albo LLE. Nie potrafi tego zrobić dla danych typu VLLE. Współczynniki z bazy danych symulatora Chemcad dla układów - i -węglowodór dotyczą równowagi VLE, a dla mieszanin -węglowodór równowagi LLE. Celem pracy jest przedstawienie symulacji osuszania u w układzie dwukolumnowym (rozdział prowadzi do uzyskania wody i mieszaniny -węglowodór o zawartości u ok. 9% mol.) i w układzie trójkolumnowym (rozdział prowadzi do uzyskania osobno czystego u i czystej wody). Uwzględniono pięć węglowodorów, dla których dostępne są dobrej jakości dane eksperymentalne typu VLLE. Były to cykloheksan ), n-heksan ), n-heptan ), izooktan 6) i toluen 7). Rozpatrzono trzy oryginalne modele termodynamiczne oferowane przez Chemcad (, i ) oraz model -VLL. Wyniki symulacji porównano z dostępnymi literaturowymi danymi eksperymentalnymi. Model -VLL Parametry te można obliczać poprzez odpowiednie sformułowanie minimalizowanej funkcji celu FC, która w przypadku danych izobarycznych jest ujęta równaniem (). Funkcja celu wykorzystuje NLLE punktów eksperymentalnych dotyczących równowagi ciecz-ciecz. Mogą to być dane dotyczące VLLE oraz LLE konkretnego trójskładnikowego układu. Pierwszy człon minimalizowanej funkcji dotyczy trzech substancji, dlatego indeks j zmienia się od 1 do, oraz dwóch faz (wodnej i organicznej) indeks k zmienia się od 1 do. Składnik ten do obliczeń równowag ciecz-ciecz wykorzystuje procedurę flash, określającą równowagowy stopień rozdziału i stężenia obu faz. Drugi człon FC obejmuje NVLE punktów równowagi ciecz-para i również dotyczy trzech substancji oraz dwóch faz (równowaga cieczpara dla każdej z dwóch faz ciekłych osobno). Ostatni składnik minimalizowanej funkcji celu obejmuje różnice temperatur dla NVLE punktów doświadczalnych i równowag ciecz-para dla każdej z dwóch faz. Parametr WAGA uelastycznia funkcję celu pozwalając lepiej dopasować temperaturę lub skład w stanie równowagi. Obliczenia dotyczące dwóch ostatnich członów sprowadzają się do określania składu równowagowego i temperatury w punkcie wrzenia. Bardziej szczegółowy opis obliczania parametrów modelu jest przedstawiony w pracy ). W tabeli 1 przedstawiono wartości liczbowe parametrów modelu -VLL dopasowanych z danych eksperymentalnych tak, aby model przewidywał jak najdokładniej równowagi LLE oraz temperatury i składy wszystkich azeotropów dwu- i trójskładnikowych. Tabela 1. Parametry modelu -VLL dla rozpatrywanych mieszanin --węglowodór Table 1. Parameters of the -VLL model for water-ethanol-hydrocarbon mixtures A 1, K A 1, K A 1, K A 1, K A, K A, K α 1 α 1 α Cykloheksan 918,9-8,70 0, 1687,9 1, 681,0 0,100 0,1 0,9 n-heksan 10, -96,1 067,8 178,1 69,7 1,09 0,1 0,1 0,78 n-heptan 81, -1,7 9,6 008, 79, 77,7 0,78 0,60 0,76 Izooktan 8, -1,60 169,9 17,7 9,1 60,90 0,18 0,8 0,791 Toluen 98, 1,91 9, 198,9,69 9,1 0,000 0,0 0,760 Schematy technologiczne osuszania u w układzie dwu- i trójkolumnowym () Model służy do obliczania współczynników aktywności γ i w fazie ciekłej i ma trzy parametry: A ij, A ji oraz α ij dopasowywane z równowagowych danych doświadczalnych. (1) Rysunek 1 dotyczy układu dwukolumnowego. Surowiec (1) zawierający % mol. u i 9% wody po połączeniu (w mieszalniku []) z fazą wodną opuszczającą rozdzielacz [] jest poddawany destylacji w kolumnie [1]. Dołem tej kolumny uchodzi (99,8%), a górą stężony kierowany do kolumny azeotropowej []. uchodzący górą kolumny [] ma skład bliski trójskładnikowemu heteroazeotropowi i po wykropleniu w wymienniku ciepła [] jest rozdzielany na fazę organiczną i wodną. Ta pierwsza po uzupełnieniu strat węglowodoru strumieniem (9) jest kierowana jako orosienie do kolumny []. Straty węglowodoru w układzie zlicza kontroler [7]. Dołem kolumny [] odprowadza się mieszaninę u (ok. 9%) z węglowodorem zawierającą nie więcej niż 0 ppm wody. Rysunek przedstawia układ trójkolumnowy. W pierwszej z nich surowiec i strumień stężonego u (1) z kolumny [] są rozdzie /7(011)

3 1 1 lane na wodę (99,9%) uchodzącą dołem kolumny i roztwór o stężeniu bliskim stężeniu azeotropu -. Ten ostatni wstępuje do kolumny azeotropowej [], z dołu której odbiera się czysty (99,99%), u góry zaś strumień o stężeniu bardzo zbliżonym do stężenia trójskładnikowego heteroazeotropu. ten po wykropleniu rozdziela się na fazę organiczną stanowiącą orosienie kolumny [] i fazę wodną rozdzielaną w kolumnie [] na heteroazeotrop (1) i strumień stężonego u (1), który jest zawracany do kolumny [1]. Podobne schematy technologiczne przedstawiono w pracy 6) dla układu --izooktan i metody. Jednak współczynniki tej metody mniej dokładnie opisują równowagę ciecz-ciecz niż model -VLL. Wyniki symulacji i ich dyskusja 6 7 Rys. 1. Schemat dwukolumnowego osuszania u Fig. 1. Flow sheet of the two-column system for drying ethanol Rys.. Schemat trójkolumnowego osuszania u Fig.. Flow sheet of the three-column system for drying ethanol Jakość symulacji zależy od dokładności, z jaką poszczególne modele termodynamiczne potrafią opisać składy azeotropów (zwłaszcza trójskładnikowego) oraz składy niemieszających się ze sobą faz organicznej i wodnej. Stężenia te mają bardzo duży wpływ na wielkość strumieni obliczonych w stanie ustalonym, a w konsekwencji na ilości ciepła doprowadzane i odprowadzane w wymiennikach ciepła oraz wyparkach i skraplaczach kolumn destylacyjnych. Tabela przedstawia eksperymentalne stężenia i temperatury trójskładnikowych azeotropów oraz wielkości te obliczone dla strumieni uchodzących górą kolumn azeotropowych [] podczas symulacji w układzie dwu- i trójkolumnowym. Można zaobserwować, że wielkości te obliczone za pomocą modelu -VLL są prawie we wszystkich przypadkach najbliższe wartościom eksperymentalnym. Ogromną zaletą tego modelu jest to, że jako jedyny przewiduje, że trójskładnikowy azeotrop --toluen jest, zgodnie z doświadczeniem, homoazeotropem. Jego obliczony skład (0,09; 0,7 i 0,) jest najbliższy wartościom eksperymentalnym. Pozostałe modele przewidują dla tego układu występowanie heteroazeotropu i w konsekwencji pozwalają na uzyskanie wyników symulacji, które nie mogłyby mieć miejsca w rzeczywistości (ostatni układ z tabeli ). Tabela przedstawia obliczone składy faz organicznej i wodnej uzyskiwane w rozdzielaczu w układzie dwu- i trójkolumnowym. Różnice w stężeniach poszczególnych faz dla każdego z modeli są duże. Przy czym rozbieżności te pomiędzy poszczególnymi oryginalnymi modelami z Chemcada są przeważnie mniejsze niż różnice pomiędzy nimi i wynikami uzyskanymi za pomocą modelu - VLL. Dokładność poszczególnych modeli można ocenić, analizując przykładowe wykresy umieszczone na rys. 6. Krzywe przedstawione w trójkątach Gibbsa odnoszą się do eksperymentalnych wartości równowagi ciecz-ciecz, będącej częścią zmierzonej równowagi cieczciecz-para,, 6, 7). Nie są to więc izotermy, gdyż cięciwy równowagowe (linie przerywane) łączą stężenia równowagowe obu faz ciekłych dla różnych temperatur. Rysunki wyraźnie wskazują, że model -VLL oblicza składy równowagowe zdecydowanie bliższe wartościom eksperymentalnym niż pozostałe metody (linia zielona jest prawie równoległa do najbliższych eksperymentalnych cięciw równowagowych). W przypadku pozostałych modeli linie łączące składy faz ciekłych albo wykraczają wręcz poza obszar występowania dwóch faz ciekłych (rys. i ), albo są nierównoległe do cięciw eksperymentalnych (rys. ). Przewaga modelu -VLL jest również pośrednio widoczna na rys. 6. Modele, i przewidują, że w trakcie symulacji z kolumny azeotropowej oddestylowywuje heteroazeotrop, który następnie rozdziela się na dwie fazy zupełnie różniące się składem od wartości eksperymentalnych. Model -VLL prawidłowo przewiduje występowanie w tym układzie trójskładnikowego homoazeotropu, co w ogóle uniemożliwia przeprowadzenie symulacji wg schematów z rys. 1 i. W rozpatrywanych schematach technologicznych model termodynamiczny ma bardzo duży wpływ na obliczone w stanie ustalonym wielkości poszczególnych strumieni, a co za tym idzie na wielkości energii dostarczonej lub odebranej w wymiennikach ciepła. Obrazuje to tabela, w której porównano dla poszczególnych modeli natężenia przepływu strumieni obiegowych oraz dostarczone bądź odebrane w wymiennikach ciepło. Tabela ta dotyczy mieszaniny -cykloheksan, dla natężenia przepływu surowca (strumień (1)) równego 100 kmol/h. Zwłaszcza dla schematu dwukolumnowego wyraźnie widać, że najmniejsza wartość strumienia obiegowego () pociąga za sobą znacznie mniejsze ilości ciepła wymienione w poszczególnych wymiennikach ciepła. To samo, chociaż może w mniejszym stopniu, można zaobserwować dla schematu z trzema kolumnami. Intuicyjne odczucia skłaniają do przypuszczenia, że w układzie dwukolumnowym łączne ilości dostarczonego i osobno odebranego ciepła powinny być mniejsze niż dla schematu z trzema kolumnami. Obliczenia symulacyjne pokazują, że jest odwrotnie, i to dla wszystkich czterech przebadanych mieszanin tworzących trójskładnikowy heteroazeotrop. Tabela zawiera takie porównanie dla modelu -VLL i układów 90/7(011) 11

4 Tabela. Porównanie eksperymentalnych 7) oraz obliczonych temperatur i składów trójskładnikowych azeotropów uzyskiwanych w układzie dwu- i trójkolumnowym Table. Comparison of experimental 7) and calculated temperatures and compositions of ternary azeotropes obtained in two- and three-column systems Układ dwukolumnowy Układ trójkolumnowy Eksperyment -VLL -VLL Woda 0,188 0,107 0,176 0,107 0,17 0,189 0,111 0,1089 0,099 Etanol 0,9 0,6 0,9 0,8 0,6 0, 0,9 0,8 0,16 Cykoloheksan 0,0 0,66 0,86 0,6 0,7 0,87 0,0 0,7 0,89 T, K,6,,1 6,0,78,8,7 6,8 6,1 Woda 0,10 0,116 0,0991 0,100 0,099 0,106 0,086 0,088 0,077 Etanol 0,6 0,8 0,669 0,7 0,6 0,61 0,807 0,901 0,68 n-heksan 0,68 0,689 0,60 0,6 0,60 0,686 0,67 0,6 0,6 T, K 9, 0,0 0,6 0,6 9,98 0, 0,8 0,88 0, Woda 0,0 0,17 0,16 0,160 0,119 0,17 0,11 0,1177 0,167 Etanol 0, 0,991 0,7 0,991 0,897 0,1 0,1 0,67 0,01 n-heptan 0,6 0,7 0,08 0,9 0,68 0,1 0, 0,6 0,71 T, K 1,8 1,87,1 1,86,,00,06,0,79 Woda 0,198 0,1677 0,1680 0,166 0,100 0,167 0,197 0,11 0,1190 Etanol 0,6 0,800 0,69 0,71 0,8 0,818 0,910 0,0 0,1 Izooktan 0,66 0, 0,661 0,61 0,66 0, 0,69 0,60 0,667 T, K 1,8 1,99,07,7,06,0,1,7,9 Woda 0, - 0,199 0,00 0,0-0,171 0,111 0,118 Etanol 0,1-0,1 0,10 0, - 0,601 0,87 0,60 Toluen 0,6-0,70 0,810 0,69-0,698 0,977 0,77 T, K 7,6-7,07 7,18 7,8-8,06 9,0 9,0 Tabela. Składy faz organicznej i wodnej uzyskiwane w rozdzielaczu w układzie dwu- i trójkolumnowym Table. Compositions of the organic and aqueous phases from the separator in two- and three-column systems Układ dwukolumnowy Układ trójkolumnowy -VLL -VLL 0,01 0,009 0,0069 0,00 0,006 0,009 0,0069 0,006 0,169 0,097 0,116 0,0701 0,61 0,101 0,18 0,0770 cykoloheksan 0,816 0,8997 0,871 0,966 0,68 0,890 0,869 0,919 0,76 0,80 0,906 0,79 0,6 0,8 0,69 0,06 0,7 0,60 0,68 0, ,6700 0,611 0,61 cykoloheksan 0,0690 0,060 0,0811 0,11 0,0661 0,076 0,100 0,170 0,016 0,009 0,01 0,00 0,0170 0,0098 0,017 0,00 0,109 0,11 0,197 0,080 0,1 0,1 0,161 0,0887 n-heksan 0,8 0,869 0,880 0,91 0,80 0,879 0,89 0,9068 0,9 0,16 0,9 0,76 0,679 0,70 0,90 0,80 0,700 0,600 0,6168 0,607 0,911 0,67 0,608 0,6 n-heksan 0,08 0,06 0,08 0,117 0,010 0,081 0,088 0,19 0,0 0,0609 0,0098 0,00 0,009 0,07 0,0087 0,00 0,81 0,6 0,108 0,110 0,69 0,0 0,111 0,119 n-heptan 0,686 0,18 0,88 0,881 0,61 0,91 0,8801 0,8786 0,69 0,6 0,17 0,067 0,99 0,68 0,1807 0,196 0,696 0,709 0,7177 0,6688 0,70 0,6990 0,71 0,679 n-heptan 0,00 0,069 0,0606 0,1 0,098 0,08 0,07 0,11 0,01 0,00 0,086 0,006 0,009 0,081 0,066 0,006 0,9 0,190 0,11 0,117 0,68 0,191 0,1 0,189 izooktan 0,719 0,880 0,89 0,8769 0,7 0,7806 0,810 0,86 0,667 0,61 0,89 0,86 0,69 0,188 0,1960 0,189 0,67 0,68 0,66 0,686 0,660 0,667 0,68 0,7068 izooktan 0,089 0,086 0,0967 0,088 0,088 0,11 0,117 0,107-0,01 0,016 0,076-0,0661 0,01 0,010-0,99 0,18 0,99-0,70 0,191 0,187 toluen - 0,66 0,8011 0,677-0,89 0,797 0,60-0,80 0,0 0,78-0,1 0,0 0,8-0,61 0,990 0,96-0,61 0,606 0,989 toluen - 0,108 0,190 0,18-0,18 0,17 0, /7(011)

5 Punkty eksp. -VLL Punkty eksp. -VLL cykloheksan izooktan Rys.. Porównanie składów faz ciekłych uzyskanych w rozdzielaczu schematu dwukolumnowego z danymi eksperymentalnymi dla układu --cykloheksan Fig.. Comparison of liquid phase compositions in the separator of two-column system with experimental data for the water-ethanol-cyclohexane mixture Punkty eksp. -VLL Rys.. Porównanie składów faz ciekłych uzyskanych w rozdzielaczu schematu trójkolumnowego z danymi eksperymentalnymi dla układu --izooktan Fig.. Comparison of liquid phase compositions in the separator of threecolumn system with experimental data for the water-ethanol-isooctane mixture Punkty eksp. n-heksan toluen Rys.. Porównanie składów faz ciekłych uzyskanych w rozdzielaczu schematu trójkolumnowego z danymi eksperymentalnymi dla układu --n-heksan Fig.. Comparison of liquid phase compositions in the separator of threecolumn system with experimental data for the water-ethanol-n-hexane mixture z n-heksanem, n-heptanem i izooktanem (odpowiednie wiersze z tabeli ukazują to dla mieszaniny --cykloheksan). Przykładowo, łączne ilości ciepła dostarczone do wyparek i odebrane w skraplaczu i wymienniku ciepła [] dla układu dwukolumnowego z n-heksanem są równe odpowiednio: 86,76 + 0,7 = 991,1 (kw) oraz -,6 06,1 = -99,07 (kw). Dla układu z trzema kolumnami wartości te wynoszą odpowiednio: 1,09 + 0,1 + 10,7 = 766,9 (kw) oraz -16,1 06,1 = -7,6 (kw) i są istotnie mniejsze niż powyżej. Decydują o tym wartości strumieni obiegowych () i (6) z obu schematów, które są zawsze większe w przypadku schematu z dwiema kolumnami. Widać to wyraźnie zwłaszcza dla schematu z n-heptanem, w którym ponad dwukrotnie większy strumień obiegowy () generuje Rys. 6. Porównanie składów faz ciekłych uzyskanych w rozdzielaczu schematu dwukolumnowego z danymi eksperymentalnymi dla układu --toluen Fig. 6. Comparison of liquid phase compositions in the separator of twocolumn system with experimental data for the water-ethanol-toluene mixture o wiele większe wartości dostarczonego i odebranego ciepła. Można zaobserwować, że dla każdego układu sumaryczna wartość ciepła dostarczonego jest bliska liczbowo (ze znakiem przeciwnym) ciepłu odbieranemu. Niestety, ciepło odebrane w chłodnicach nie może być wykorzystane w wyparkach z uwagi na temperatury strumieni ogrzewanych i wykraplanych. Wartości liczbowe dostarczonego i odebranego ciepła wskazują, że najkorzystniejszym z przebadanych węglowodorów jest cykloheksan, następnie n-heksan, izooktan, a zdecydowanie najbardziej energochłonny jest n-heptan. 90/7(011) 1

6 Tabela. Wpływ modelu termodynamicznego na obliczone wartości strumieni obiegowych, kmol/h, i ilości dostarczonego (+) lub odebranego (-) ciepła, kw; układ --cykloheksan Table. Effect of thermodynamic model on the calculated values circulation streams, kmol/h, and quantity supplied (+) or received (-) heat, kw; the system water-ethanol-cyclohexane Schemat dwukolumnowy (rys. 1) Model 7 11 wyparka 1 skraplacz 1 wyparka wymiennik -VLL 1,89 1,7 8, 6, -,8 1,99-1,6 6,08 0,07 16,01 719,9-698,8,7 -,6 0,90 17,1 1,9 61,77-610,77 0,89-0,9 7,7 19, 18, 79,7-769,88 70,00-70,8 Schemat trójkolumnowy (rys. ) Model wyparka 1 skraplacz 1 wyparka wymiennik wyparka -VLL 19,70 1,71,99,80-0,8 190,0-19, 8,1 0,61 11,0 9,11 7,0-1,78 18,8-0,77 17,6 1, 1,1 9,1 0,1-08,90 190,6-1,0,, 1,71 1, 6, -1,7 10,69-6,,0 Tabela. Porównanie wartości strumieni obiegowych, kmol/h, i ilości dostarczonego (+) lub odebranego (-) ciepła, kw, dla schematu dwu- i trójkolumnowego Table. Comparison of the values of circulation streams, kmol/h, and the quantities supplied (+) or received (-) heat, kw, for two- and three-column systems Schemat dwukolumnowy (rys. 1) Układ wyparka 1 skraplacz 1 wyparka wymiennik n-heksan,9 1, 11,0 86,76 -,6 0,7-06,1 n-heptan 8,97 1,0,9 1697,7-1668,86 90,1-90,8 Izooktan 9,87 16,77,10 79,67-771, 1,86-1,19 Schemat trójkolumnowy (rys. ) Układ wyparka 1 skraplacz 1 wyparka wymiennik wyparka n-heksan,0,18 8, 1,09-16,1 0,1-06,1 10,7 n-heptan,98 17,80 17,18 68,0-66,96 7,7-67,98 6,9 Izooktan,70 9,9 1,77,9-0,6 1,80-6, 7,9 Podsumowanie W rozpatrywanych schematach technologicznych wyniki symulacji są bardzo mocno uzależnione od modelu termodynamicznego, który powinien dobrze opisywać oba typy równowagi fazowej: VLE i LLE za pomocą jednego zestawu współczynników. Zadanie to spełnia model -VLL, którego parametry dopasowano osobno do danych eksperymentalnych równowagi trójfazowej VLLE. Dzięki temu model oblicza temperatury i składy heteroazeotropów oraz stężenia powstałych po ich wykropleniu faz organicznej i wodnej w dużym stopniu zbliżone do wartości eksperymentalnych. Potwierdzają to wyniki obliczeń z tabel i oraz rys. 6. Wartości liczbowe współczynników modeli oferowanych przez bazę danych symulatora Chemcad prowadzą do wyników symulacji istotnie mniej precyzyjnych. Jaskrawym przykładem jest tu mieszanina --toluen, dla której powstały azeotrop trójskładnikowy jest w rzeczywistości homogeniczny, co przewiduje model -VLL. Pozostałe modele przewidują występowanie heteroazeotropu i obliczają wyniki symulacji, które w rzeczywistości nie mogłyby mieć miejsca. Niewiele może pomóc tu również fakt, że Chemcad jest w stanie obliczyć nowe wartości współczynników modeli poprzez regresję danych eksperymentalnych, gdyż mogą to być tylko dane albo typu VLE, albo LLE. Wyniki symulacji pokazują, że dla wszystkich czterech przebadanych układów ilości ciepła dostarczone i odebrane w układach dwukolumnowych są większe od odpowiednich wartości w układach trójkolumnowych. Decydują o tym wielkości strumieni obiegowych krążących w układzie. Są one większe dla schematów z dwiema kolumnami. Spośród przebadanych węglowodorów najmniejsze wartości liczbowe dostarczonego i odebranego ciepła wykazują układy z cykloheksanem, następnie z n-heksanem, z izooktanem, a zdecydowanie najbardziej energochłonny jest układ z n-heptanem. Otrzymano: LITERATURA 1. Chemcad VI. Process Flowsheet Simulator, 6..1 version, Chemstataions Inc., Huston 010 r.. A. Wyczesany, Chem. Proc. Eng. 010, 1,.. V. Gomis, A. Front, R. Pedraza, M.D. Saquete, Fluid Phase Equil. 00,, 7.. V. Gomis, A. Front, R. Pedraza, M.D. Saquete, Fluid Phase Equil. 007, 9, 66.. V. Gomis, A. Front, M.D. Saquete, Fluid Phase Equil. 006, 8, A. Front, J.C. Asensi, F. Ruiz, V. Gomis, Ind. Eng. Chem. Res. 00,, V. Gomis, A. Front, M.D. Saquete, Fluid Phase Equil. 008, 66, /7(011)