Экстрактивная ректификация
Применение комплексов со связанными тепловыми и материальными потоками для разделения зеотропных и азеотропных смесей. Методы синтеза технологических схем разделения. Моделирование фазового равновесия в системе этилцеллозольв–толуол–метилэтилкетон.
| Рубрика | Химия |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 11.07.2010 |
| Размер файла | 474,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Получение. В промышленности метилэтилкетон получают из бутенов, содержащихся в бутан-бутиленовой фракции газов переработки нефти. Первая стадия - гидратация бутенов 70-80%-ной H2SO4 при 30-40 ОС и давлении ~0,1 МПа в 2-бутанол с промежуточным образованием 2-бутилсульфата CH3CH(OSO3H)C2H5. 2-Бутанол выделяют ректификацией и превращают в метилэтилкетон дегидрированием при 400-500 ОС (кат. -ZnO на пемзе, цинк-медный) или окислительным дегидрированием при 500 ОС в присутствии Ag на пемзе. Недостатки процесса: образование большого количества сточных вод на стадии гидратации, высокие энергозатраты, связанные с необходимостью концентрирования H2SO4. Разработаны и внедрены процессы прямой гидратации бутенов с использованием гетерополикислот и сульфокатионитов в качестве катализаторов, не имеющие указанных недостатков. Перспективно получение метилэтилкетона окислением бутенов на гомогенном катализаторе - водном растворе соли Pd и обратимо действующего окислителя (например, фосфорномолибденванадиевой гетерополикислоты).
Применение. Используется как растворитель перхлорвиниловых, нитроцеллюлозных, полиакриловых лакокрасочных материалов и клеев, типографских красок, депарафинизации смазочных масел и обезмасливания парафинов (удаление смеси масла и низкоплавкого парафина); промежуточный продукт в производстве пероксида метилэтилкетона (отвердитель полиэфирных смол), втор-бутиламина, оксима метилэтилкетона (антиоксидант) и др.
Безопасность, токсичность. Температура вспышки -2,2 ОС, КПВ 1,97-10,2%. Раздражает слизистые оболочки глаз, носа, горла; ПДК 200мг/м3.
Этилцеллозольв (2-этоксиэтанол) C2H5OCH2CH2OH
Физические свойства. Молярная масса 90,12; бесцветная горючая жидкость со слабым спиртовым запахом; ТПЛ=-70 ОС; ТКИП=135,6 ОС. Плотность 0,9311 г/см3. Смешивается со спиртами и органическими растворителями во всех соотношениях.
Химические свойства. Этилцеллозольв обладает свойствами, характерными для этиленгликоля и простых эфиров.
Металлы и их гидроксиды легко замещают водород гидроксильной группы; при взаимодействии с карбоновыми кислотами образуются сложные эфиры, например с уксусной кислотой - целлозольвацетат
С2Н5ОСН2СН2ОН + СН3СООН = С2Н5ОСН2СН2ОСОСН3
При оксиэтилировании - эфиры этиленгликолей.
Получение. В промышленности этилцеллозольв получают взаимодействием этиленоксида с этанолом при 150-200 ОС и давлении 2-4МПа в присутствии гомогенных (кислоты, щелочи) или гетерогенных (цеолиты, алюмосиликаты, силикагели и др.) катализаторов. Возможно также получение взаимодействием этиленхлоргидрина и алкоголята Na.
Применение. Применяется в качестве растворителя лакокрасочных материалов, производстве растворителей для нитратов, ацетатов целлюлозы, фенолформальдегидных, полиэфирных и эпоксидных смол. Используется как присадка к моторным и реактивным топливам. Входит в состав антиобледенительных жидкостей. Применяется в чистящих средствах, при печатании, в производстве кино- и фотопленки.
Безопасность, токсичность. Легковоспламеняющаяся токсичная жидкость. Температура вспышки 48,9 ОС, температура самовоспламенения 237,8 ОС, КПВ 2,6-15,7%. Пары ядовиты; накапливаясь в организме, может вызвать изменения в печени и почках; при хронических отравлениях поражают, главным образом, центральную нервную систему и слизистые оболочки. Всасываются через кожу, вызывают дерматит, при приеме внутрь - смерть. ПДКРЗ - 10мг/м3.
2. Постановка задачи исследования
Целью настоящей работы является определение оптимальных рабочих параметров процесса экстрактивной ректификации смеси толуол-этилцеллозольв азеотропного состава в сложной колонне с боковой укрепляющей секцией. К таким параметрам относятся температура и расход разделяющего агента, тарелки подачи исходной смеси и экстрактивного агента, уровень отбора в боковую секцию и величина бокового отбора. В качестве критерия оптимизации использовали энергетические затраты в кипятильнике колонны.
Решение поставленной задачи осуществляли путем вычислительного эксперимента с использованием программного комплекса РRО-П.
3. Расчетно-экспериментальная часть
3.1 Критерий оптимизации
В качестве критерия оценки эффективности применения комплекса с частично связанными тепловыми и материальными потоками мы использовали суммарные энергетические затраты в кубах простых двухсекционных колонн (QкипПДК) и кубах сложной колонны с боковой исчерпывающей секцией (QкипСК). При этом QкипСК рассчитывались исходя из уравнения общего теплового баланса сложной колонны с боковой секцией, которое имеет вид следующий вид:
QF + QЭА + Qкип1СК + Qкип2СК = QD + QW1 + QW2 + Qконд1 (3.1)
где QF = F*CF*TF - количество тепла, поступающее с потоком исходной смеси;
QЭА = РЭА*СЭА*ТЭА - количество тепла, поступающее в колонну с потоком экстрактивного агента;
QD = D*CD*TD - количество тепла, отводимое с потоком дистиллята основной колонны;
QW1 = W1*CW1*TW1 - количество тепла, отводимое с кубовым потоком основной колонны;
QW2 = W2*CW2*TW2 - количество тепла, отводимое с кубовым потоком боковой секции;
Qконд = D(R+1)r - количество тепла, отводимое при конденсации пара для создания потоков дистиллята и флегмы в основной колонне.
Откуда суммарные затраты тепла в кипятильниках:
QкипСК = Qкип1СК + Qкип2СК = QD + QW1+ QW2 + Qконд1 - QF - QЭА (3.2)
То же для сложной колонны с боковой исчерпывающей секцией:
QкипПДК = Qкип1ПДК + Qкип2ПДК = QD + QW1+ QW2 + Qконд1 + Qконд2 - QF - QЭА
Потоки D1, D2 и W при заданном качестве продуктов определяются из общего материального баланса и зависят от количества и состава питания, а также от соотношения F:ЭА. Следовательно, теплосодержание верхнего и нижнего продуктов основной колонны и дистиллята боковой секции также зависят от этих величин.
Энергозатраты на проведение процесса будут определяться температурой и расходом экстрактивного агента, подаваемого в колонну, флегмовым числом в основной колонне (R). Величина R зависит от профиля концентраций в колонне, на формирование которого в данном случае оказывает влияние не только положение тарелок подачи исходной смеси и ЭА, его температура и расход, но и положение тарелки отбора парового потока в боковую секцию и его количество.
3.2 Моделирование фазового равновесия в системе этилцеллозольв - толуол - метилэтилкетон
Для расчета оптимальных рабочих параметров процесса необходимо иметь данные о фазовом равновесии в исследуемой системе. Физико - химические свойства чистых веществ приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1 Физико - химические свойства компонентов.
|
Компонент |
Структурная формула |
Молекулярная масса |
Плотность,г/мл |
ТКИП, ОС |
|
|
Метилэтилкетон |
CH3COC2H5 |
72,104 |
0,805 |
79,60 |
|
|
Толуол |
C6H5CH3 |
92,140 |
0,8669 |
110,63 |
|
|
Этилцеллозольв |
C2H5OCH2CH2OH |
90,120 |
0,9311 |
135,10 |
В смеси этилцеллозольв - толуол имеется азеотроп с минимумом температуры кипения (Тазкип=110,15?C, содержание этилцеллозольва-10,8% мас.) [2]. Для моделирования фазового равновесия использовали уравнение Вильсона, параметры которого приведены в [2] (см. таблицу 3.2.).
Таблица 3.2 Параметры уравнения Вильсона.
|
Л12 |
Л21 |
||
|
Метилэтилкетон- толуол |
0,9175 |
0,7636 |
|
|
Метилэтилкетон- этилцеллозольв |
0,2121 |
1,7940 |
|
|
Толуол- этилцеллозольв |
0,1099 |
0,7865 |
Уравнение Антуана представлено в виде:
LgP=A-(B/C+T),
где Р- давление в мм.рт.ст.; Т- температура в ОС; А,В,С- коэффициенты уравнения Антуана (таблица 3.3.).
Таблица 3.3 Коэффициенты уравнения Антуана.
|
Компонент |
А |
В |
С |
|
|
Метилэтилкетон |
7,2476 |
1419,294 |
245,436 |
|
|
Толуол |
6,9551 |
1345,090 |
219,520 |
|
|
Этилцеллозольв |
7,5453 |
1445,030 |
178,099 |
3.3 Подготовка к расчетному эксперименту
Наша работа основана на исследованиях, проведённых автором 2. В работе был исследован процесс экстрактивной ректификации смеси толуол- этилцеллозольв состава, близкого к азеотропному, с легкокипящим разделяющим агентом (метилэтилкетон). На основании теоретического обоснования, было высказано предположение, что возможны два варианта проведения процесса (с разновысотной подачей агента и смеси, и с однотарелочной подачей). Проведенные эксперименты (по колонне экстрактивной ректификации) подтвердили правильность этого предположения.
Для проверки адекватности описания данной системы и возможности проведения дальнейших расчетов в программном комплексе PRO/II, по данным работы 2 был проведен проверочный эксперимент. Результаты и схема приведены ниже.
а
б
Рис.3.1. Колонна с разновысотной (а) и однотарелочной (б) подачей смеси и разделяющего агента.
Таблица 3.4 Режим и результаты лабораторных опытов и расчетов (смесь МЭК- Т- ЭЦ )
|
Подача смеси и агента |
Питание |
Агент |
R |
n/l/m |
Верхний продукт, масс.% |
Кубовый продукт |
|||||
|
Поток, кг/ч |
Состав,масс.% |
Поток, кг/ч |
Состав, масс.% |
Поток, кг/ч |
Состав,масс.% |
||||||
|
Разновысотная |
Эксп-т |
100 |
0- 72,6- 27,4 |
242 |
99,5- 0,5- 0 |
0,5 |
4/16/4 |
77,5- 22,5- 0 |
26,0 |
0- 0,8- 99,2 |
|
|
Расчет |
100 |
0- 72,6- 27,4 |
242 |
99,5- 0,5- 0 |
0,5 |
4/16/4 |
78,3- 20,2- 1,5 |
26,2 |
0,7- 0,2- 99,1 |
||
|
Однотарелочная |
Эксп-т |
100 |
0- 72,6- 27,4 |
273 |
99,5- 0,5- 0 |
0,5 |
12/0/12 |
77,4- 22,5- 0,1 |
25,8 |
0- 0,3- 99,7 |
|
|
Расчет |
100 |
0- 72,6- 27,4 |
273 |
99,5- 0,5- 0 |
0,5 |
12/0/12 |
75,9- 23,2- 0,9 |
26,1 |
0,1- 0,3- 99,6 |
где n, l и m- число теоретических тарелок в укрепляющей, реэкстракционной и исчерпывающей секциях.
Нужная воспроизводимость была достигнута, что позволило нам продолжить дальнейшие расчеты.
3.4 Расчетный эксперимент
Оптимизация комплекса из двух простых двухсекционных колонн
При фиксированном количестве, составе, температуре исходной смеси энергозатраты в кубах колонн определяются несколькими параметрами, а именно: флегмовыми числами в колонне экстрактивной ректификации и колонне регенерации агента, температурой и расходом экстрактивного агента.
Флегмовые числа в колоннах зависят от положения тарелок питания и подачи агента.
В колонну экстрактивный агент обычно подают при температуре кипения. Проведенные ранее расчеты для экстрактивной ректификации показали, что с увеличением температуры подачи агента в колонну, энергозатраты в кипятильнике снижаются. С другой стороны, чем при более высокой температуре агент подается в экстрактивную колонну, тем меньше тепла можно получить за счет его охлаждения. Таким образом, для точного определения температуры подачи агента в колонну, необходимо провести технико-экономический расчет схемы. На данном этапе для снижения размерности задачи оптимизации мы приняли ТЭА=80?C (температура кипения экстрагента, подаваемого в колонну). Это позволит использовать его тепло в производственных нуждах, например для подогрева исходной смеси.
Таким образом, для обеспечения минимальных энергозатрат в кубе основной колонны нам необходимо найти оптимальное сочетание следующих рабочих параметров процесса:
1) удельный расход экстрактивного агента;
2) положение тарелок питания;
3) положение тарелки подачи экстрактивного агента.
Так как все эти параметры взаимосвязаны между собой, мы проводили расчеты в несколько этапов. Количество исходной смеси составило 100 кг/ч, концентрация этилцеллозольва в питании 27,4% массовых. Эффективность основной колонны- 26 т.т., эффективность колонны регенерации- 23 т.т. Концентрация этилцеллозольва в продуктовом потоке - 99,0% масс., хлороформа- 99,0% масс., ДМФА- 99,0% масс.. Расчет фазового равновесия проводили по модели Вильсона, параметры которой приведены выше.
Сначала мы провели расчет, целью которого было определение оптимального положения тарелок питания и отбора при соотношении F:ЭА = 1:3,5 и количестве БО=150 кг/час.
Список использованной литературы
1. Айнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г. А. и др. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии, в 2 книгах, книга 2. Под ред. проф. Айнштейна В.Г. М.: Химия, 2000. 1760 с.
2. Диссертация. Тимофеев В.С., Серафимов Л.А. Принципы и технологии основного органического и нефтехимического синтеза.М. : "Высшая школа" 2003. -536 с.
3. Коган В.Б. Азеотропная и экстрактивная ректификация. - Л.: Химия, 1971, 432 с.
4. Патент 2213721 Способ разделения С4-углеводородных фракций. Россия, МПК С07С7/08. ОАО "Нижнекамскнефтехим", Борейко Н.П., Яфизова В.П., Репин В.В., Романов В.Г., Гаврилов Г.С. N2002109490/04: Заявл. 11.04.2002: Опубл. 10.10.2003.
5. Патент 976630 Способ очистки изопрена / Чуркин В.Н., Горшков В.А., Елифантьева Н.В., Бутин В.И., №2986343/04; Заявл. 20.06.1980; опубл.27.07.2000
6. Балашов А.Л., Чубаров С.М., Авдошин Г.А. Способ выделения и очистки 1,3-диоксолана. Нижегородский технический университет-1997, № 1.
7. А.с. №686266, Горшков В.А., Кузнецов С.Г., Павлов С.Ю., Беляев В.А., Серова Н.В., Васильев Г.И., Шестовский Г.П., Малов Е.А. Способ разделения смесей близкокипящих углеводородов, БИ № 26, 1996.
8. А.с. № 726821, Горшков В.А., Кузнецов С.Г., Павлов С.Ю., Беляев В.А., Серова Н.В., Васильев Г.И., Шестовский Г.П., Малов Е.А. Способ разделения углеводородов С4-С5, БИ № 26, 1996.
9. Процесс извлечения пентафторэтана, № 6-19 3066 ( Япония), НПК 203/57, 1999.
10. Патент № 2157360, Трофимов В.Н., Пантук Б.И., Деревцов В.И. Способ очистки бензола от непредельных углеводородов, № 99118148, 2000.
11. Петлюк Ф.Б., Серафимов Л.А. Многокомпонентная ректификация. Теория и расчет: М., Химия, 1983. Серия "Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии". 304 с.
12. Петлюк Ф.Б., Платонов В.М., Аветьян В.С. Оптимальные схемы ректификации многокомпонентных смесей, ХП, №11,1966, с.65-68.
13. Деменков В.Н. Схемы фракционирования смесей в сложных колоннах. // Химия и технология топлив и масел. - 1997, №2, с.6-8.
14. Комиссаров Ю.А., Гордеев Л.С., Вент Д.П. Научные основы процессов ректификации: В 2 т. Т. 2. Учебное пособие для вузов / Под ред. Л.А. Серафимова. -М.: Химия, 2004.-416 с.
15. Тимошенко А.В., Паткина О.Д., Серафимов Л.А. Синтез оптимальных схем ректификации, состоящих из колонн с различным числом секций. // ТОХТ. - 2001, т.35, №5, с.485-491.
16. Тимошенко А.В., Серафимов Л.А. Стратегия синтеза множества схем необратимой ректификации зеотропных смесей. // Теор. основы хим. технологии - 2001, т.35, №6, с.603-609
17. Буев Д.Л. Разработка энергосберегающих схем ректификации, содержащих сложные колонны.- Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата техн. наук. М.:, МИТХТ, 2002, 24с.
18. Тимошенко А.В., Анохина Е.А., Буев Д.Л. Применение графов траекторий ректификации для синтеза энергосберегающих технологий разделения // Теор. основы хим. технологии, 2004, т38, №2, с.1-5
19. Тимошенко А.В., Серафимов Л.А. Синтез оптимальных схем ректификации с использованием колонн с различным числом секций // Теор. основы хим. технологии, 2001, т.35, №5, сс. 485-491
20. Химическая энциклопедия в пяти томах, 3, 4. М: Научное изд. "Большая Российская энциклопедия", 1992.
Подобные документы
Методы разделения азеотропных и зеоторпных смесей. Азеотропная и гетероазеотропная ректификация. Экстрактивная ректификация. Методы синтеза технологических схем разделения. Некоторые свойства, токсическое действие, получение и применение компонентов.
дипломная работа [473,6 K], добавлен 04.01.2009В случае разделения азеотропных смесей получение чистых продуктов обычной ректификацией невозможно. Для решения этой проблемы предложен ряд методов, одним из таких методов является экстрактивная ректификация с использованием разделяющего агента.
дипломная работа [2,8 M], добавлен 04.01.2009Методы разделения азеотропных смесей. Разделение азеотропных смесей в комплексах, под разным давлением. Азеотропная ректификация. Разделение азеотропных смесей методом экстрактивной ректификации. Выбор разделяющего агента. Процесс удаления примесей.
дипломная работа [1,4 M], добавлен 04.01.2009Процесс ректификации играет ведущую роль среди процессов разделения промышленных смесей. В промышленности разделению подвергаются многокомпонентные смеси как простых зеотропных, так и сложных азеотропных смесей. Методы разделения неидеальных смесей.
дипломная работа [2,9 M], добавлен 04.01.2009Общие подходы к синтезу технологических схем разделения. Поливариантность организации технологического процесса разделения. Методы синтеза технологических схем разделения. Интегрально-гипотетический метод. Продукты разделения. Хлорбензол и дихлорбензолы.
дипломная работа [196,3 K], добавлен 04.01.2009Общие подходы к синтезу технологических схем разделения. Поливариантность организации технологического процесса разделения. Критерии оптимизации. Методы синтеза технологических схем разделения. Методы синтеза, основанные на эвристических правилах.
дипломная работа [2,5 M], добавлен 04.01.2009Понятие процесса ректификации. Технологические схемы для проведения разрабатываемого процесса. Экстрактивная и азеотропная ректификация. Типовое оборудование для проектируемой установки. Теоретические основы расчета тарельчатых ректификационных колонн.
курсовая работа [3,9 M], добавлен 15.11.2010Ректификация - один из самых распространенных технологических процессов в химической, нефтяной отраслях промышленности. Ректификация - процесс разделения бинарных или многокомпонентных паров, а также жидких смесей на чистые компоненты или их смеси.
курсовая работа [211,9 K], добавлен 04.01.2009Сущность процесса периодической ректификации бинарных смесей. Принципы работы непрерывно действующей ректификационной установки для разделения бинарных смесей. Расчет материального и теплового баланса. Определение скорости пара и диаметра колонны.
курсовая работа [605,8 K], добавлен 24.10.2011При разработке технологии большая роль принадлежит блоку разделения реакционной смеси. В производствах органического и нефтехимического синтеза применяются все известные методы разделения многокомпонентных смесей на чистые компоненты или фракции.
дипломная работа [118,3 K], добавлен 04.01.2009
