Автореферат (Особенности ректификационного разделения многокомпонентных многофазных смесей органических веществ)

На правах рукописиСебякин Алексей ЮрьевичОСОБЕННОСТИ РЕКТИФИКАЦИОННОГО РАЗДЕЛЕНИЯМНОГОКОМПОНЕНТНЫХ МНОГОФАЗНЫХ СМЕСЕЙОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ05.17.04 – Технология органических веществАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2017Работа выполнена на кафедре Химии и технологии основного органическогосинтеза Института тонких химических технологий ФГБОУ ВО «Московскийтехнологический университет».Научный руководитель:Доктор технических наук, профессорФролкова Алла КонстантиновнаОфициальные оппоненты:Глебов Михаил Борисович,доктор технических наук, профессорФГБОУВПО«Российскийхимико-технологический университет имени Д. И.

Менделеева», заведующийкафедрой Кибернетики хи-мико-технологических процессовКрасных Евгений Леонидович,доктор химических наук, доцентФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет», доцент кафедры Технологииорганического и нефтехимического синтезаВедущая организация:ООО «ВНИИОС-наука» (г. Москва)Защита состоится «21» марта 2017 г. в 14:30 на заседании Диссертационного Совета Д 212.131.08 в ФГБОУ ВО «Московский технологический университет» по адресу: 119571, г. Москва, пр-т Вернадского, д. 86, аудитория M-119.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского технологического университета и на интернет-сайтах: ВАК РФ http://vak.ed.gov.ru и Московского технологического университета http://www.mirea.ruАвтореферат разослан «» _______________ 2017 г.Ученый секретарь диссертационного советакандидат технических наук, доцентАнохина Елена Анатольевна2Общая характеристика работыАктуальность работыКак известно, основным термодинамическим ограничением, накладываемымна процесс ректификационного разделения жидких смесей, является азеотропия.Разделение таких смесей возможно в комплексах, сочетающих на разных этапахректификацию и самопроизвольное расслаивание.

Использование явлениярасслаивания в ряде случаев позволяет упростить технологическую схему,снизить капитальные и энергетические затраты на разделение. При этомпринципиальным является взаимное расположение в структуре диаграммыфазового равновесия симплексов расслаивания различной размерности исепаратрическихмногообразий,перераспределенияректификации.полейЯвлениечтообеспечиваетконцентрацийрасслаиванияреализацию(ПППК)используетсямеждуипринципаобластямиприразделениигомоазеотропных смесей, когда в систему вводится специально подобранноевещество,приводящеекобразованиюгетероазеотропасминимальнойтемпературой кипения (гетероазеотропная ректификация). В литературе этиприемы обсуждаются в основном на примерах разделения бинарных и тройныхсмесей.

В то же время в технологиях органических веществ в большинствеслучаеввстречаютсямногокомпонентныемногофазныесистемыисовершенствование методов их разделения является актуальной задачей.Целью диссертационного исследования является выявление особенностейректификационногоразделениясмесейорганическиххарактеризующихсяограниченнойвзаимнойрастворимостью,особенностейформированияструктурдиаграммфазовыхвеществ,наосноверавновесиймногокомпонентных многофазных систем.Для достижения поставленной цели требуется решить ряд задач:1. Проанализировать научно-техническую информацию, посвященнуюисследованию структур фазовых диаграмм многокомпонентных смесей испособов их разделения.2.

На основе экспериментальных данных получить математическую модель,описывающую равновесие жидкость-пар и равновесия разного числа жидких фазв четырехкомпонентных системах.33. Разработать методику и алгоритм исследования эволюции областиравновесия трех жидких фаз в концентрационном симплексечетырех-компонентных систем.4.Установитьвлияниеструктурыфазовойдиаграммы(взаимноерасположение сепаратрис и областей двух- и трехфазного расслаивания) наструктуру схемы, базирующейся на сочетании ректификации и расслаивания.5.

Провести расчет материальных балансов, подбор режимных параметровработы колонн, энергетическую оценку схем разделения четырехкомпонентныхсмесей.6. Исследовать возможности гетероазеотропной ректификации и разработатьрекомендации по выбору разделяющих агентов.Работа выполнялась в рамках грантов РФФИ № 14-03-00523, РНФ № 16-1910632 и государственного задания Минобрнауки РФ № 2014/114 (код проекта2065).Научная новизна1. Предложен новый подход и алгоритм исследования области равновесиятрех жидких фаз в концентрационном тетраэдре, основанные на формулетопологического инварианта области расслаивания и математического понятияцентроид.2. В вычислительном эксперименте для восьми систем разных классов(4.5.2.0, 4.3.0.0, 4.4.1.0, 4.6.4.1) подтверждены два вида эволюции, приводящие кформированию в тетраэдре: 1) закрытой трехфазной области с переходом ее черезкритическую ноду в двухфазную; 2) открытой трехфазной области, котораявыходит на различные тройные составляющие тетраэдра.3.

Впервые на основе термодинамико-геометрического анализа фазовыхдиаграммпоказановлияниевзаимногорасположениясепаратрическихмногообразий и областей расслаивания в концентрационном тетраэдре навозможность разделения четырехкомпонентных смесей (при приемлемыхтехнологических параметрах: эффективность колонны; соотношение количествпродуктовых потоков D/W; флегмовые числа, суммарные энергозатраты).4.

Выявлены новые структуры принципиальных схем разделения («комплексв комплексе»), которые представляют комбинацию двух комплексов, жестко4связанных особенностями равновесия двух или трех жидких фаз.Практическая значимость1.ПолученныепараметрыуравненияNRTL,удовлетворительноописывающие фазовые равновесия разного вида, результаты математическогомоделирования фазового поведения четырехкомпонентных систем и статическиепараметры работы колонн предложенных схем разделения смесей, имеющих втом числе промышленное значение, могут быть использованы на этапе НИОКРпри модернизации действующих производств и разработки новых технологийразделения.2.

При разделении четырехкомпонентных смесей н-алкан – циклогексан –фурфурол – вода, один из компонентов которых принадлежит гомологическомуряду (н-гексан, н-гептан, н-октан), показана энергетическая эффективность схем спредварительным расслаиванием исходной смеси. Выигрыш в случае октановойсистемы (эквимолярная смесь) по сравнению с применением первого заданногоразделения на первой стадии составляет более 25%.3. Предложено использовать линейное соотношение концентрации н-алканаи циклогексана в углеводородном слое, что позволяет корректно связать данныеравновесия жидкость-жидкость-жидкость с условиями балансовой задачи приразделении смесей разного состава. Тем самым подтверждена практическаязначимость исследования эволюции трехфазного расслаивания.4.

Даны практические рекомендации по выбору разделяющего агента впроцессеобезвоживанияспиртовгетероазеотропнойректификацией,базирующиеся на величинах коэффициента извлечения воды из водного слоя икоэффициента распределения воды в равновесных слоях, которые, в своюочередь, определяют соотношение продуктовых отборов в ректификационныхколоннах. Выбор осуществлен из 20 веществ разных классов (алканы, алкены,циклоалканы, арены).5. Предложена принципиальная технологическая схема разделения воднойсмеси одноатомных спиртов (этанол, пропанол, бутанол), включающая комплексгетероазеотропной ректификации с бензолом и комплекс экстрактивнойректификации с этиленгликолем.

Определены статические параметры работыколонн.5Объекты исследования- четырехкомпонентные модельные и реальные системы, содержащиеобласти двух- и трехфазного расслаивания открытого и закрытых типов;- схемы разделения, включающие разное число ректификационных колонн ифлорентийских сосудов. В колоннах реализуются четкие заданные разделения,которым отвечают минимальные количества рецикловых потоков.Методы исследованияВ качестве методов исследования выбраны термодинамико-топологическийитермодинамико-геометрическийанализыструктурдиаграммфазовогоравновесия четырехкомпонентных систем.

Математическое моделированиефазовых равновесий (жидкость-пар, жидкость-жидкость), а также расчетпроцесса ректификации выполнены с использованием уравнения NRTL вспециализированном программном комплексе. Для оценки параметров уравненияNRTL и адекватности математической модели использован обширный массивэкспериментальных данных, представленных в литературе и прежде всего вработахкафедрыХТООСМИТХТ.Относительныеошибкиописанияазеотропных характеристик не превышали 3%, а составов равновесных жидкихслоев – 7 %. Расчет материальных балансов схем разделения смесей заданногосостава производился с использованием метода балансовых симплексов.Положения, выносимые на защиту- Подход и алгоритм исследования эволюции области трехфазногорасслаивания.-Закономерности влияния взаимного расположения областей расслаиванияи сепаратрических многообразий на структуру схем разделения и ихэнергоемкость.- Подход к расчету материальных балансов схем разделения четырехкомпонентныхсмесей,характеризующихсяналичиемобластитрехфазногорасслаивания открытого типа.- Практические рекомендации по выбору разделяющего агента дляобезвоживания спиртов (этанол, пропанол) гетероазеотропной ректификацией.6Апробация работыМатериалы диссертации докладывались наМеждународных научно-технических конференциях «Наукоемкие химические технологии» (Москва-2013,Звенигород-2014,химическойМосква-2016);термодинамикевXXМеждународнойРоссии(НижнийконференцииНовгород,2015);поVМеждународной конференции-школы по химической технологии (Волгоград,2016), Всероссийской научно-практической конференции «Теоретические ипрактическиеаспектыразработкиинновационныхресурсосберегающихтехнологий разделения жидких смесей» (Барнаул, 2016).Публикации.

Автором опубликовано 10 работ, в том числе: 2 статьи вжурналах, включенных в глобальные индексы цитирования Scopus и Web ofScience; 2 – в журналах, включенных в базу РИНЦ; 6 – тезисов научныхконференций.Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4глав, выводов, библиографии, насчитывающей185 наименований, и 4приложений.

Работа изложена на 185 страницах, включает 40 рисунков, 62таблицы.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель изадачи диссертационного исследования, приведены основные результаты.Первая глава посвящена обзору научно-технической информации, в которой рассматриваются основные закономерности (локальные и нелокальные)структур фазовых диаграмм многокомпонентных многофазных систем, а такжеспециальные методы их разделения.

Показана актуальность дальнейшего исследования закономерностей разделения многокомпонентных расслаивающихсясмесей на основе новых данных о формировании структур диаграмм фазовогоравновесия жидкость-жидкость-жидкость.Во второй главе для оценки возможности разделения четырехкомпонентных смесей были определены закономерности формирования областей трехфазного расслаивания в концентрационном тетраэдре и их взаимное расположениеотносительно сепаратрических многообразий. В качестве базовой системы вы7брана азеотропная система изопрен (И) – триметилэтилен (ТМЭ) – ацетонитрил(АН) – вода (В), встречающаяся в производстве изопрена при разделении изопентан – изоамиленовой фракции при использовании ацетонитрила в качестве разделяющего агента.