Диссертация (Массопередача в процессе экстрактивной ректификации ароматических и неароматических углеводородов), страница 8

В некоторых работах говорится об ухудшении массопередачи вприсутствии РА, в некоторых – эффективность массопередачи в процессе ЭР42имеет экстремальный характер, в некоторых – влияние РА на кинетикумассопередачи вовсе не отмечается.Недостаточное внимание уделено неравновесным моделям периодическойэкстрактивной ректификации в динамике, математическое описание которойосложняетсявыражениемматериальныхбалансовколонныввидедифференциальных уравнений.Таким образом очевидно, что вопросы массопередачи в процессах ЭРисследованы недостаточно и говорить об обобщении экспериментальных данныхкакими-либо параметрическими корреляциями как это сделано, например, дляпроцессов простой ректификации на внутренних устройствах насадочного типапокапреждевременно,чтовынуждаетпроводитьэкспериментальныеисследования кинетики массопередачи для каждого конкретного объекта.Принимая во внимание все вышесказанное, в рамках настоящей работыбыли поставленные следующие задачи:1.

На основе собственных, а также литературных данных по фазовомуравновесию жидкость – пар и жидкость – жидкость разработатьалгоритм математического описания фазового равновесия жидкость –жидкость – пар в многокомпонентных системах углеводороды – РА иопределить все необходимые для расчетов параметры математическоймодели;2.

Провести экспериментальные исследования кинетики массопередачив процессе экстрактивной ректификации в насадочной колонне;3. Разработать математическое описание зависимости коэффициентовмассоотдачи в паровой и жидкой фазах от параметров процесса внасадочной колонне;4. Разработать математическую модель периодической экстрактивнойректификации и оценить адекватность модели путем сравнения сданными экспериментов.432. Экспериментальная часть2.1. Выбор модельной системы и физико-химические свойства веществ ееобразующихПри выборе модельной смеси для проведения экспериментальной работырассматривали прикладную задачу по разделению продуктов каталитическогориформинга.

Каталитический риформинг – вторичный процесс нефтепереработки,сырьем которого, как правило, служит прямогонный гидроочищенный бензин илилегкая нафта, состоящие практически полностью из предельных углеводородов. Врезультате химических реакций, протекающих на катализаторе риформинга,предельныеуглеводородыдегидроциклизации,подвергаютсяизомеризации,чтодегидрированию,приводиткциклизации,образованиюмногокомпонентной смеси, состоящей из парафинов, олефинов, нафтенов, аренови др.

В качестве примера в таблице 2.1 приведен состав продуктов риформинга(стабилизированного риформата), полученный при риформировании бензиновогосырья.Таблица 2.1 Состав продуктов каталитического риформинга бензинового сырьяКомпонентизо-бутанБутанизо-пентан1-пентенПентан2,2-диметилбутан2,3-диметилбутан2-метилпентан3-метилпентан1-гексенГексанМетилциклопентан2,2-диметилпентанБензол2,4-диметилпентанЦиклогексан2,2,3-диметилбутан3,3-диметилпентанМольныйрасход,кмоль/час0.292.2138.300.5924.505.542.9919.5514.060.6418.443.801.5720.408.990.351.572.44zi ,мол.д.0.00060.00500.08680.00130.05550.01250.00680.04430.03190.00150.04180.00860.00360.04620.02040.00080.00360.0055Массовыйрасход,кг/час16.60128.642763.6241.501767.72477.20257.271684.731211.6853.941589.29319.52157.681593.44900.4629.05157.68244.83i ,масс.д.0.00040.00310.06660.00100.04260.01150.00620.04060.02920.00130.03830.00770.00380.03840.02170.00070.00380.005944Компонент2,3-диметилпентан2-метилгексан3-метилгексан3-этилпентан1-гептенГептан2,2,4-триметилпентанМетилциклогептанЭтилциклопентанТолуол1-октенОктанЭтилбензолпара-ксилолмета-ксилолорто-ксилол1-ноненНонанКумолн-пропилбензол1-метил-3-этилбензол1-метил-4-этилбензол1,3,5-триметилбензол1-метил-2-этилбензол1,2,4-триметилбензолДекан1,2,3-триметилбензолИндол1,3-диэтилбензолБутилбензол1-метил-2пропилбензол1,2-диметил-3этилбензолТетраметилбензолУндеканМольныйрасход,кмоль/час1.4919.5528.373.640.9322.0739.741.103.3490.031.044.698.137.9316.739.340.032.590.450.932.451.101.210.974.040.200.830.280.120.15мол.д.0.00340.04430.06430.00830.00210.05000.09010.00250.00760.20400.00230.01060.01840.01800.03790.02120.00010.00590.00100.00210.00560.00250.00270.00220.00920.00050.00190.00060.00030.0004Массовыйрасход,кг/час149.391958.602842.47365.1691.292211.734539.65107.89327.828295.02116.19535.30863.11842.371776.02991.754.15331.9753.94112.04294.62132.79145.24116.19485.5029.0599.5933.2016.6020.75i ,масс.д.0.00360.04720.06850.00880.00220.05330.10940.00260.00790.19990.00280.01290.02080.02030.04280.02390.00010.00800.00130.00270.00710.00320.00350.00280.01170.00070.00240.00080.00040.00050.530.001270.540.00170.590.310.160.00130.00070.000478.8441.5024.900.00190.00100.0006zi ,Продукты риформинга состоят в основном из алканов (60 % мол.) и аренов(38 % мол.), что и определяет направление их дальнейшего использования.

Смесьароматических углеводородов направляется в нефтехимию для получениябензола, этилбензола, ксилолов, а неароматические компоненты используются каквысокооктановая добавка в бензиновые топлива.На основе анализа состава риформата для дальнейшего исследованияпроцесса экстрактивной ректификации были выбраны наиболее характерные45представители продуктов риформинга: бензол (далее обозначен индексом 1) и нгептан (далее обозначен индексом 2).В качестве разделяющего агента на основе литературных данных [32]рассматривалинескольковеществ:N-метилпирролидон(далееобозначениндексом 3), сульфолан (далее обозначен индексом 4), а также их смесь впропорции: N-метилпирролидон / сульфолан равной 85 / 15 по массе.Основные физико-химические свойства компонентов модельной смесиприведены в таблице 2.2 [118, 120, 146, 147]Таблица 2.2.

Основные физико-химические свойства компонентов модельной смесиTb , К z , кг/м3Бензол353.2873.6Гептан371.5679.5N-метилпирролидон475.21025.9Сульфолан558.01264.4nd301.49481.38431.46651.4817Коэффициент6.02066.48156.32139.0128Антуана Aa *Коэффициент1201.521549.211789.284829.75Антуана Ba *Коэффициент-54.003-25.352-79.040133.040Антуана Ca * z , сП0.3180,2031,710,3M m , г/моль7810099120*значения коэффициентов в таблице приведены в размерностях уравнения Антуана (3.13), гдедавление и температура измеряются в кПа и К соответственно.2.2.

Методы количественного анализаВ процессе экспериментальной работы на установках отбирали пробыжидкости и пара, которые качественно можно разделить на несколько классов:1) Бинарные гомогенные смеси;2) Бинарные гетерогенные смеси;3) Трех- и четырехкомпонентные гомогенные и гетерогенные смеси.Бинарные гомогенные смеси анализировали рефрактометрическим методом,все остальные классы проб – хроматографическим.462.2.1.

Рефрактометрический метод анализаРефрактометрический метод анализа бинарных гомогенных жидких смесейосновывается на изменении показателя преломления света в зависимости отсостава жидкой пробы.Методикапроведениярефрактометрическогоанализасводиласькследующему: при помощи термостатированного рефрактометра (в работеиспользовали прибор «ИРФ-454 Б2М») измеряли показатель преломления жидкойпробы; далее по калибровочному графикуnd30  f zi  определяли составанализируемой смеси.Рефрактометрическим методом анализировали составы двух бинарныхгомогенных смесей: бензол – гептан и бензол – N-метилпирролидон.Для построения калибровочных графиков готовили смеси заданного состававо всем диапазоне концентраций бинарных смесей весовым методом.

Далееизмеряли показатель преломления приготовленных смесей при температуре 30 ºС.На основе полученных данных строили калибровочные графики, приведенные нарисунках 2.1 и 2.2 для смеси бензол – гептан и бензол – N-метилпирролидонсоответственно.30nd1,511,501,491,481,471,461,451,441,431,421,411,401,391,381,370,00,20,40,60,81,0z1Рисунок 2.1. Зависимость показателя преломления света от состава смеси бензол – гептан при30 ºС4730nd1,5001,4951,4901,4851,4801,4751,4701,4650,00,20,40,60,81,0z1Рисунок 2.2. Зависимость показателя преломления света от состава смесибензол – N-метилпирролидон при 30 ºС2.2.2.

Хроматографический метод анализаМетод газовой хроматографии применяли в работе для количественногоанализабинарнойгетерогеннойсмесигептан–N-метилпирролидон,трехкомпонентных смесей: бензол – гептан – N-метилпирролидон, бензол –гептан – сульфолан и четырехкомпонентной смеси бензол – гептан – Nметилпирролидон – сульфолан.Газовый хроматограф марки КРИСТАЛ 2000М, использованный в работе,был оборудован капиллярной колонкой Hewlett Packard HP-1 (параметры колонкиприведены в таблице 2.3) и пламенно-ионизационным детектором.Таблица 2.3. Параметры капиллярной колонки HP-1ПараметрНеподвижная фазаТолщина пленки неподвижной фазы, мкмВнутренний диаметр колонки, ммДлина колонки, мЗначениеДиметилполисилоксан0.330.250Для проведения количественного анализа требуется выбрать оптимальныйрежим работы хроматографа и метод проведения анализа с последующейкалибровкой.48Режим работы хроматографа подбирали эмпирическим путем из условияполного разделения компонентов в колонке (отсутствия наложенных пиков нахроматограмме), а также минимально возможного времени проведения анализа.Полученные режимные параметры приведены в таблице 2.4Таблица 2.4.

Режим работы хроматографаПараметрТемпература в испарителе, КТемпература в камере детектора, КТемпература в термостате колонок, КДавление на входе, кПа (изб.)Объем пробы, мклГаз носитель / сброс пробыВремя анализа, минЗначение473423323 К (4 мин); 25К/мин1500.021/809.5Поскольку температуры кипения компонентов анализируемых смесейсущественноотличаются,тоанализпробосуществляливрежимепрограммирования температур следующим образом: температуру колонок первые4 минуты держали постоянной; за это время из колонки выходили бензол игептан; далее температура возрастала со скоростью 25 К/мин до конца анализа.Пример хроматограммы с автоматически вычисленными площадями всех пиковдля смеси бензол – гептан – N-метилпирролидон показан на рисунке 2.3.Поскольку смесь расслаивалась, то для проведения анализа пробу растворяли визвестном количестве гомогенизатора – пара-ксилола.В процессе калибровки хроматографа была установлена различнаячувствительность пламенно-ионизационного детектора к компонентам пробы.