МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ТОНКОЙ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА

Кафедра Химии и Технологии

Основного Органического Синтеза

Аттестационная работа по теме:

«Разделение смеси бензол – циклогексан – этилбензол – н-пропилбензол экстрактивной ректификацией»

на соискание степени бакалавра по направлению 550800

«Химическая Технология и Биотехнология»

Зам. заведующего кафедройА.В. Тимошенко

д.т.н., проф.

Руководители:

д.т.н., проф.А.В. Тимошенко

асп. Л.В. Иванова

СоискательА.В. Макашова

Москва 2004

Список сокращений

МБ – материальный баланс

ТБ – тепловой баланс

Т – температура, ^оС

ЭА – экстрактивный агент

РА – разделяющий агент

ЭР – экстрактивная ректификация

Б – бензол

ЦГ – циклогексан

ЭБ – этилбензол

ПБ – н-пропилбензол

N_ЭА – уровень подачи экстрактивного агента

N_F – уровень подачи питания

ПЖР – парожидкостное равновесие

Введение

Процесс ректификации играет ведущую роль среди процессов разделения промышленных смесей. Большая энергоемкость процесса делает поиск оптимальных схем разделения актуальной задачей химической технологии. В промышленности разделению подвергаются многокомпонентные смеси как простых зеотропных, так и сложных азеотропных смесей. В последнем случае в связи с термодинамико-топологическими ограничениями получение чистых продуктов обычной ректификацией невозможно. Для решения этой проблемы предложен ряд методов, одним из которых является экстрактивная ректификация с использованием разделяющего агента. Данный метод достаточно прост в аппаратурном оформлении и не требует значительных энергозатрат по сравнению с другими методами разделения азеотропных смесей.

На сегодняшний день сложилась классификация схем экстрактивной ректификации, согласно которой разделяющий агент применяется на разных этапах разделения. Таким образом, возникает поливариантность организации процесса и необходимость исследования каждого варианта с целью выявить наименее энергоемкий.

В данной работе рассматриваются традиционные схемы разделения азеотропных смесей, состоящих из простых двухсекционных колонн. Цель работы заключается в разработке энергосберегающего процесса экстрактивной ректификации азеотропной смеси.

Литературный обзор

Методы разделения азеотропных смесей

В различных отраслях промышленности используют разнообразные жидкие и газовые смеси, подлежащие разделению на чистые компоненты или фракции различного состава. Разделение таких смесей проводят в комплексах, основанных на процессе ректификации.

Если смесь образует азеотроп, то ее разделение на практически чистые компоненты методом обычной ректификации становится очень трудно. В данном случае необходимо использовать специальные методы ректификации:

1) разделение в комплексе колонн, работающих под разными давлениями;

2) экстрактивную ректификацию;

3)азеотропную и гетероазеотропную ректификацию.

Азеотропным смесям присущи термодинамико-топологические ограничения на выделение конечных фракций заданного состава. Основой для преодоления ограничений служит принцип перераспределения полей концентраций между областями разделения [1–3]. Этот принцип может быть реализован с использованием однородных и неоднородных (с включением экстракции, адсорбции, абсорбции, химических и др. методов разделения) разделительных комплексов. В первом случае процесс ректификации может быть организован так, что на одном из этапов осуществляется выделение азеотропной фракции, которая затем подвергается разделению с использованием специальных методов. Если это фракция двух и более компонентов, то можно использовать экстрактивную ректификацию или разделение азеотропного состава под разными давлениями. Если фракция содержит более двух компонентов, появляется возможность применить для разделения методы, использующие кривизну разделяющего многообразия [3, 4]. В работах [2, 5] предложен общий подход к синтезу схем ректификации многокомпонентных неидеальных (включая азеотропные) смесей, основанный на понятии области ректификации. Авторами [6–8] предложены некоторые подходы к синтезу технологических схем ректификации многокомпонентных смесей, содержащих один бинарный азеотроп. При этом используется метод разделения азеотропной смеси под разными давлениями.

Разделение азеотропных смесей в комплексах, работающих под разным давлением

Применение данного метода рассматриваются авторами [6-9]. Для разделения азеотропных смесей используются комплексы (рис.1), работающие под разным давлением, которые позволяют преодолеть ограничения физико-химического характера и получать продукты требуемой чистоты.

Рис.1. Разделение азеотропных смесей в комплексах, работающих под разным давлением

В таких случаях используется изменение состава азеотропной смеси с изменением температуры (при изменении давления) [11]. Изменение состава азеотропа, приходящееся на один градус температуры, согласно правилу Вревского, зависит от разности молярных теплот испарения компонентов. Следовательно, рассматриваемый метод разделения тем эффективнее, чем больше отличаются теплоты испарения компонентов разделяемой смеси. Обычно теплоты испарения значительно различаются у веществ различной химической природы. Но практическое применение метода ограничено, т.к. интервал изменения давления, в свою очередь, ограничен температурами хладагентов, используемых для конденсации паров в дефлегматорах, и теплоносителей, применяемых в кубах ректификационных установок.

Азеотропная ректификация

Метод азеотропной ректификации применим как для смесей с малым коэффициентом относительной летучести, так и для азеотропообразующих смесей (в том числе при составах, близких к азеотропу). При азеотропной ректификации разделяющий агент образует с каким-либо компонентом разделяемой смеси азеотроп с иным соотношением компонентов, нежели в исходной смеси, если последняя является азеотропообразующей. В качестве разделяющих агентов могут применяться вещества, образующие гомоазеотропы с компонентами исходной смеси (это могут быть азеотропы с максимумом или минимумом температур кипения), либо гетероазеотропы, представляющие собой тройные смеси разделяемых компонентов А и В с разделяющим агентом РА. Во всех случаях один из компонентов разделяемой смеси в колонне азеотропной ректификации может быть получен в практически чистом виде [10].

Наиболее сложным и энергоемким в схемах азеотропной ректификации является узел разделения азеотропной смеси.

Несколько проще разделение смеси с помощью разделяющего агента, образующего гетероазеотроп (рис.2). Последний после конденсации образует два жидких слоя с разными соотношениями разделяемых компонентов в них. Это различие в составах двух слоев позволяет использовать колонну меньшей эффективности (высоты) по сравнению с образованием гомоазеотропа. Температура кипения гетероазеотропа всегда ниже, чем у компонентов разделяемой смеси. Расслаивание и декантацию гетероазеотропной смеси осуществляют во флорентийском сосуде, позволяющем раздельно выводить слои легкой и тяжелой жидкости.

Рис.2. Принципиальная схема разделения гетероазеотропной смеси

Разделение азеотропных смесей методом экстрактивной ректификации

Наиболее часто на практике для преодоления теродинамико-топологических ограничений на выделение конечных фракций заданного состава используют метод экстрактивной ректификации.

Этот метод основан на увеличении движущей силы процесса разделения за счет изменения условий равновесия между жидкостью и паром, достигаемого путем добавления к заданной смеси специально подобранных веществ – разделяющих агентов. Если необходимо разделить на достаточно чистые компоненты трудноразделимую бинарную смесь, к такой смеси добавляют специально подобранный компонент (обычно труднолетучий), избирательно растворяющий один из компонентов исходной смеси и мало растворяющий другой. Иными словами, введение в систему третьего компонента заметно снижает упругость паров растворяемого компонента бинарной смеси, увеличивая тем самым коэффициент относительной летучести разделяемой смеси.

Выбор разделяющего агента

При выборе разделяющих агентов для процессов азеотропной и экстрактивной ректификации должны учитываться свойства системы, подлежащей разделению. Прежде всего, в исходной системе должны быть определены требования, предъявляемые к разделяющему агенту. В основном, разделяющие агенты, используемые в процессах азеотропной и экстрактивной ректификации должны удовлетворять следующим требованиям:

1. избирательность, т.е. изменение относительной летучести компонентов заданной смеси в желательном направлении;

2. легкость регенерации из смесей с компонентами системы, подвергаемой разделению;

3. легкое отделение от продукта;

4. безопасность в обращении, доступность и дешевизна;

5. инертность по отношению к компонентам заданной смеси, термостабильность, неспособность вызывать коррозию аппаратуры.

Наиболее сложной задачей является выбор разделяющих агентов, удовлетворяющих первому требованию, тогда как последующие требования относятся к числу обычных технологических вопросов.[11,12]

Количественный эффект от использования разделяющего агента, при прочих равных условиях, определяется его концентрацией в колонне. Поэтому в случае непрерывной ректификации на линии равновесия наблюдается скачок концентраций в паровой фазе, обусловленный изменением концентрации экстрактивного агента в жидкости при подаче в колонну исходной смеси.

Помимо избирательного растворения одного из компонентов разделяемой смеси, экстрактивный агент должен удовлетворять ряду требований; основные из этих требований следующие [11,12]:

— он не должен образовывать азеотропов с компонентами исходной смеси (чтобы его можно было без затруднений в последствии отделить от них с целью его регенерации и получения чистых компонентов);

— он должен существенно отличаться от компонентов исходной смеси по температуре кипения, т.е. быть значительно более труднолетучим, чем ВКК исходной смеси, или (это бывает реже) значительно более легколетучим, чем низкокипящий компонент исходной смеси (что позволяет его выделить без больших энергетических и капитальных затрат).

Метод экстрактивной ректификации заключается в проведении процесса ректификации с практически нелетучими разделяющими агентами, или имеющими значительно меньшую относительную летучесть, чем компоненты заданной смеси. В процессах экстрактивной ректификации практически весь разделяющий агент отводится с кубовой жидкостью, а в дистиллат обычно попадает в очень небольших количествах. Разделяющий агент подается в ректификационную колонну на некотором расстоянии от ее верха и стекает вместе с флегмой. Образование азеотропных смесей разделяющим агентом с компонентами исходной смеси нежелательно во избежание загрязнения дистиллата разделяющим агентом.

Однако в некоторых случаях для экстрактивной ректификации применяются разделяющие агенты, образующие азеотропную смесь с компонентом, отбираемым в виде дистиллата. Такой процесс называется азеотропно-экстрактивной ректификацией.

Классификация схем экстрактивной ректификации

К настоящему времени сложилась классификация схем экстрактивной ректификации. Условно все технологические схемы можно разделить на две основные группы [13]. К первой группе схем относятся схемы с применением ЭА в первой колонне и выделением азеотропобразующего компонента на первом этапе (рис.3а, в).

Ко второй группе схем относятся структуры, в которых первоначально происходит фракционирование исходной смеси и отделение зеотропной и азеотропной составляющих друг от друга (рис. 3б). Далее каждая из них разделяется в последовательности простых двухсекционных колонн и в комплексе экстрактивной ректификации соответственно. В этом случае ЭА может применяться на любой стадии разделения, кроме первой.

Рис.3. Разделение смеси АВС методом экстрактивной ректификации (а),(в) – с применением ЭА в первой колонне, (б) – с фракционированием исходной смеси

В целом, эти два класса схем охватывают все возможные варианты разделения. Схемы из первого класса для ректификации смесей с низкой размерностью концентрационного пространства можно использовать как элементы разделения смесей во второй группе схем для смесей более высокой размерности.

Экстрактивный агент должен направляться только в ту колонну (колонны), где его применение необходимо для разделения смеси. Поэтому иногда целесообразно применение последовательно соединенных комплексов экстрактивной ректификации (рис.4 а).