166498 (Разделение смеси бензол – циклогексан – этилбензол – н-пропилбензол экстрактивной ректификацией), страница 2

А б

Рис. 4. Схемы экстрактивной ректификации трехкомпонентной смеси при выделении в первой колонне индивидуального азеотропообразующего компонента

В случае сложного портрета ПЖР с несколькими азеотропами появляется необходимость подачи ЭА одновременно в две колонны комплекса (рис. 4 б). Такую организацию процесса следует всегда сопоставлять с двумя последовательно связанными комплексами ЭР для выявления наиболее эффективного решения.

Применение экстрактивной ректификации для разделения промышленных смесей

Методы экстрактивной ректификации в настоящее время применяются для решения разнообразных задач по разделению жидких смесей, а также для интенсификации процессов разделения. Нефть и природный газ широко применяются в химической промышленности и этим вызвана необходимость разделения смесей близкокипящих углеводородов. Последнее время находят все большее применение комбинированные РА, что позволяет понизить температуру кипения кубовой жидкости (это имеет существенное значение, если температуры кипения компонентов заданной смеси и РА сильно различаются).

Процесс экстрактивной ректификации почти никогда не используются самостоятельно, а являются стадиями технологических процессов разделения смесей. Широко применяется для выделения ароматических углеводородов из природных смесей и смесей с неорганическими компонентами, выделения и очистки 1.3-диоксолана, разделения углеводородов С4-С5 и т.д.

Выделение бутадиена из смесей углеводородов С4 [12]

Методом ЭР решается одна из крупных промышленных проблем – выделение бутадиена из смесей углеводородов С4. Процессы экстрактивной ректификации играют важнейшую роль в общем комплексе производства бутадиена. Существует два пути получения бутадиена на основе метода ЭР. Первый путь – непосредственное выделение бутадиена из газов крекинга; второй – выделение бутадиена из смесей, получающихся при последовательном каталитическом дегидрировании бутана и бутиленов.

По условиям разделения оба эти способа в принципе равноценны. Различаются эти методы лишь относительным содержанием компонентов в исходных смесях.

Рассмотрим метод выделения бутадиена из смесей, получающихся при двухстадийном каталитическом дегидрировании бутана.

Смеси, из которых выделяется бутадиен, содержат (после отделения низкокипящих компонентов — например, водорода, метана, этана) вещества, приведенные в табл.1 в порядке возрастания температуры кипения.

Бутадиен с бутаном образует азеотроп, который при давлении 8 ат содержит 21 мол.% бутана. Это обстоятельство заставило обратиться к методу экстрактивной ректификации. Наилучшими разделяющими агентами были признаны фурфурол, ацетон и фенол в смеси с водой. Бутилены получаются со степенью чистоты 95—98%.

Принципиальная схема установки разделения бутан-бутиленовых смесей представлена на рис.5.

Таблица 1. Температуры кипения разделяемых веществ

Рис.5. Схема процесса разделения бутан-бутиленовых смесей:

1-ректификационная система; 2, 3, 5- колонны; 4-система экстрактивной ректификации

Первая стадия процесса — выделение и очистка бутиленов, а также получение практически чистого бутана. В смеси присутствуют небольшие количества соединений с температурами кипения ниже и выше, чем температуры кипения углеводородов С4. Эту смесь подают в ректификационную систему 1, состоящую из двух последовательных колонн. В этой системе производится выделение бутилена-1 путем четкой ректификации. Вместе с бутиленом-1 в виде азеотропа с бутаном отгоняется бутадиен. В дистиллате содержатся также в небольших количествах углеводороды Сз и наиболее легкие углеводороды С4 изобутан и изобутилен. Этот дистиллат подается в колонну 2 для отгонки углеводородов С3. Полученная в этой колонне в виде кубовой жидкости смесь направляется в систему выделения бутадиена, в которой бутилен-1 отгоняется в смеси бутиленов, направляемой на вторую стадию дегидрирования.

Кубовая жидкость ректификационной системы 1 поступает в колонну 3, для выделения пентана и других высококипящих примесей, которые в процессе ректификации концентрируются в кубовой жидкости. Полученную в качестве дистиллата смесь бутиленов и бутана подают в систему экстрактивной ректификации 4, состоящую из двух последовательных колонн. В качестве разделяющего агента применяют фурфурол, содержащий ~6 вес. % воды. В виде дистиллата в процессе экстрактивной ректификации получается бутан, возвращаемый на дегидрирование. Бутилены отводятся в смеси с разделяющим агентом из куба. Эту смесь подают в отгонную колонну 5, в которой отгоняются бутилены, а разделяющий агент отбирают из куба в промежуточную емкость, из которой он возвращается в систему экстрактивной ректификации.

При использовании в качестве исходного сырья для выделения бутадиена газов крекинга бутилен-сырец содержит значительные количества изобутана и изобутилена, которые отгоняются вместе с бутиленом-1. Из этой смеси изобутилен удаляется путем поглощения 65% серной кислоты на холоду с последующей полимеризацией при нагревании. Оставшиеся же изобутан и бутилен-1 разделяются путем экстрактивной ректификации.

Вторая стадия процесса заключается в выделении и очистке бутадиена, а также регенерации непревращенных бутиленов для возвращения их в стадию дегидрирования.

Регулирование процесса осуществляется за счет того, что устанавливаются постоянные расходы исходной смеси, флегмы и разделяющего агента и температура последнего, а регулируемым параметром является нагрев куба. Соотношение расходов разделяющего агента и подаваемой смеси углеводородов составляет около 12 : 1 по объему.

Следует остановиться на вопросах, связанных с длительным использованием разделяющего агента. Хотя фурфурол является термостойким веществом, но в присутствии воды, бутадиена и других углеводородов при повышенных температуре и давлении может происходить его полимеризация и взаимодействие с непредельными углеводородами, в частности с бутадиеном. Это вызывает потери фурфурола и необходимость удаления образующихся продуктов реакции.

Другими источниками потерь являются утечки через неплотности в вентилях и насосах, а также попадание фурфурола в продукты разделения. Общие потери, зависящие от температуры, объема системы и концентрации углеводородов, весьма невелики и составляют 0,01—0,02% от расхода циркулирующего фурфурола. По данным заводских балансов, из этого количества ~60% приходится на полимеризацию, а 40% —на механические потери. [12]

Процесс удаления примесей из олефинов [14]

В данной работе предлагается способ очистки олефинов от примесей, особенно таких как этилен и пропилен, которые традиционно получаются в процессах нефтепереработки. Для удаления примесей предлагается использовать экстрактивную ректификацию. Предпочтительно экстрактивный агент – это полярная жидкость, при 1 атм. имеющая температуру кипения около 38^оС, содержащая 75 %вес. воды, спирта или нечто подобное. Авторы предлагают использование данного метода в широком интервале давлений (6,8-340,2атм.).

Рассмотрим применение данного метода более подробно.

Газовый поток после реактора, в котором происходит каталитическое получение олефинов, частично конденсируется в емкости при температуре 38^оС и давлении 2,7 атм. Это паровой поток, содержащий различные углеводородные продукты содержит эитлен и пропилен, а также различные примеси (1,28% воды, 1,85% окисленных углеводородов, 0,995% из которых – диметиловый эфир, 0,32% – ацетальдегид). Паровой поток из емкости при давлении 2,7 атм. и 38^оС поступает в нижнюю часть отпарной колонны, состоящей из 10 тарелок. На верх колонны подают жидкий поток воды при 4^оС и 2,7 атм. Верхний продукт колонны содержит 0,95% воды и 0,81% окисленных углеводородов. Диметиловый эфир присутствует в паровом потоке в количестве 0,71%, ацетальдегид – 0,1%. Далее паровой продукт колонны сжимается до давления 20,4 атм. и с температурой 135,33^оС направляется в колонну экстрактивной ректификации, состоящую из 39 тарелок и кипятильника. В качестве экстрактивного агента используется вода, которая поступает на первую тарелку колонны с температурой 32^оС. Верхний паровой продукт колонны содержит углеводороды и удаляется с температурой 32,5^оС и давлением 20,4 атм. Этот поток содержит 0,14% воды и менее 1 ppm окисленных углеводородов, включая диметиловый эфир и ацетальдегид.

О критериях оптимизации технологических схем

Под оптимизацией понимают деятельность научных, проектных и производственных коллективов, направленную на создание производства, дающего наилучшие результаты в принятых условиях.

При выборе метода оптимизации необходимо учитывать критерий оптимизации, который является количественной мерой, позволяющей сравнивать все технологически осуществимые процессы и определять оптимальный вариант работы объекта.

Критерии оптимизации выбираются для всего производства, т.е. для всей системы. Однако чаще всего приходится сталкиваться с оптимизацией части технологического процесса (аппарат, комплекс аппаратов, цех или завод, входящий в комбинат). Следовательно, решаются частные задачи оптимизации.

В частных задачах оптимизации, когда требуется получить экстремальное значение какого-либо параметра работы отдельного аппарата, речь идет о некоторых экстремальных свойствах самого объекта оптимизации, которые обусловлены химическими или физико-химическими свойствами проходящего в данном объекте процесса.

Следовательно, в таких случаях критерием оптимальности служат технологические характеристики, которые косвенно оценивают экономичность работы агрегата (время пребывания реакционной смеси, выход продукта, конечная концентрация, температура и т.д.). В качестве критериев оптимизации могут быть использованы различные экономические (себестоимость продукции, приведенные затраты, средняя прибыль и т.п.) и технологические (качество продуктов, разделительный потенциал и т.п.) критерии. Тот или иной критерий выбирают исходя из поставленной задачи. Выбранный критерий должен соответствовать некоторым требованиям [11]:

1. он должен характеризовать эффективность процесса с точки зрения конечной схемы производства;

2. должен быть количественным и однозначным;

3. должен иметь физический смысл, чтобы можно было найти его значение для модельного процесса;

4. должен обладать простой и лёгкостью вычисления.

Ни один из существующих критериев не может отвечать всем требованиям. Наибольшему числу соответствует экономический критерий, но его расчет весьма трудоемок. Поэтому, для предварительных оценок часто используют другие критерии. В данной работе представлен один из таких критериев – энергозатраты, которые, для большого числа смесей изменяются пропорционально приведённым затратам. Для процесса ректификации энергозатраты определяются количеством тепла, подведенного в куб колонны, и могут быть определены по формуле:

Q_i = r_iD_i (R_i+1)

для i - ой колонны

для j - ой схемы

где: F– функция для определения оптимальной схемы