МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ АЗЕОТРОПНЫХ СМЕСЕЙ.

Федеральное агентство по образованию

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ТОНКОЙ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ИМ. М.В. ЛОМОНОСОВА

Кафедра Химии и технологии основного органического синтеза

Аттестационная работа по теме:

«Определение оптимальных рабочих параметров процесса экстрактивной ректификации смеси ацетон-хлороформ в сложной колонне с боковой секцией»

 

на соискание степени бакалавра по направлению 550800 «Химическая технология и биотехнология»

 

 

Зам. зав. кафедрой, д.т.н., проф.

Тимошенко А.В.

 

Научный руководитель

к.т.н., асс.

Анохина Е.А.

 

Соискатель  

Маханькова А.С.  

 

 

Москва 2006 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение
Литературный обзор
1.1. Сущность процесса ректификации
1.2. Методы разделения азеотропных смесей
1.2.1. Разделение азеотропных смесей в комплексе колонн, работающих под разными давлением
1.2.2. Методы ректификации азеотропных смесей
с использованием разделяющих агентов
1.3. Применение сложных колонн для разделения
зеотропных и азеотропных смесей
1.4. Методы расчета парожидкостного равновесия в
многокомпонентных системах
1.4.1. Уравнения состояния
1.4.2. Модели локальных составов
1.4.3. Групповые модели
1.5. Некоторые свойства, токсическое действие, получение
и применение компонентов
Постановка задачи исследования
Расчетно-экспериментальная часть
3.1. Критерий оптимизации
3.2. Описание технологической схемы процесса
3.3. Моделирование фазового равновесия в системе
ацетон – хлороформ – ДМФА
3.4. Расчет оптимальных рабочих параметров
Выводы
Список использованной литературы
Приложения

ВВЕДЕНИЕ

 

Ацетон и хлороформ входят в состав смеси растворителей, применяемых в производстве термостабилизатора стабилина-9. Для их регенерации в [1] было предложено использовать экстрактивную ректификацию (ЭР) с тяжелокипящим разделяющим агентом диметилформамидом (ДМФА). Этот процесс осуществляется в комплексе, состоящем из двух колонн, — колонны экстрактивной ректификации и колонны регенерации экстрактивного агента. При этом практически чистый ацетон выделяется в дистилляте экстрактивной колонны, а практически чистый хлороформ — в дистилляте колонны регенерации, кубовый поток которой, представляющий собой практически чистый ДМФА возвращается в колонну экстрактивной ректификации.

Экстрактивная ректификация является достаточно энергоемким процессом. Для уменьшения энергозатрат на ЭР смеси ацетон - хлороформ был предложен способ проведения этого процесса в одной сложной колонне (СК) с боковой укрепляющей секцией [2]. При этом выделение ацетона осуществляется в дистилляте основной колонны, а хлороформа — в дистилляте боковой секции (БС). ДМФА извлекается в кубе основной колонны и возвращается рециклом в ее верхнее сечение. В результате снижение энергозатрат на разделение смеси промышленного состава, содержащей 82,9 %мас. ацетона, составило по сравнению с традиционной двухколонной схемой 28,5 %.

Данная работа является частью исследования, направленного на выявление концентрационных областей оптимальности схем экстрактивной ректификации смеси ацетон-хлороформ. Целью настоящей работы является определение оптимальных рабочих параметров процесса экстрактивной ректификации смеси ацетон-хлороформ азеотропного составав сложной колонне с боковой укрепляющей секцией.

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ [3].

 

В химической, нефтехимической и ряде других отраслей промышленности (пищевой, фармацевтической - вплоть до металлургической) используют широкое многообразие жидких и газовых смесей, подлежащих разделению на достаточно чистые компоненты или фракции различного состава. Разделение таких смесей при контакте жидкой и паровой фаз, сопровождающее перераспределением компонентов между фазами, называется перегонкой.

Ректификацией называется процесс переноса компонента (компонентов)между кипящей жидкой и насыщенной конденсирующейся паровой фазами при многоступенчатом противотоке этих фаз. При чередовании по схеме противотока операций частичной конденсации паровой и испарения (дистилляции) жидкой смесей можно получить выходы высококипящего компонента (ВКК) и низкокипящего компонента (НКК), примерно соответствующие их содержанию в исходной смеси.

В процессе ректификации подводимая извне теплота затрачивается только в кипятильниках - в низу колонны и боковых секциях для частичного испарения жидкой смеси с получением начального потока пара в обогревающем устройстве в нижней части ректификационного аппарата (чаще всего – колонны). Теплота конденсации паров также отводится только в конденсирующих устройствах - в верхней части ректификационного аппарата.

Постепенно за счет противоточного контакта фаз на тарелках снизу вверх нарастают концентрации НКК в паре и жидкости - устанавливается некий профиль концентраций; этот эффект и лежит в основе процесса ректификации. Чистота НКК на верху колонны определяется в рамках рассматриваемой схемы числом тарелок.

После установления необходимого концентрационного профиля, т.е. требуемой концентрации НКК (чистоты) на верху колонны, верхний продукт может отбираться в качестве целевого. Но если отбирать весь верхний продукт, то жидкая фаза перестанет стекать по колонне противотоком к пару, процесс ректификации будет нарушен. Поэтому после конденсации верхний продукт отбирается лишь частично; предусматривается возврат определенной части конденсата на орошение колонны для поддержания противоточного контакта фаз. В ректификации имеет место двунаправленный процесс переноса компонентов: НКК из жидкой фазы в паровую и НКК - в обратном направлении.

МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ АЗЕОТРОПНЫХ СМЕСЕЙ.

 

Для разделения смесей, состоящих из компонентов с близкими температурами кипения и характеризующихся небольшим значением коэффициента относительной летучести , потребуется большое число тарелок в колонне. При разделении таких смесей велики будут и флегмовые числа, значит и расход энергии - теплоты в кубе, охлаждающей жидкости в конденсаторе. Если смесь образует азеотроп, то ее разделение на практически чистые компонент методом обычной ректификации становится невозможным (возможно лишь получение одного  из компонентов (х₀) и смеси, близкой к составу азеотропа х_аз). 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.

1.2.1. Разделение азеотропных смесей в комплексе колонн, работающих под разными давлением [4].

Для разделения азеотропных смесей используются комплексы функционального действия, которые позволяют преодолеть ограничения физико - химического характера и получать продукты требуемой чистоты. Часть комплексов базируется на принципе перераспределения полей концентраций между областями разделения. Частным случаем этого принципа является принцип перераспределения полей концентраций между областями ректификации. Этот принцип наиболее наглядно демонстрируется на примерах разделения азеотропныхсмесей, котороеосновано на изменении состава азеотропов с изменением давления. Составы азеотропов при разных давлениях различны, причем в зависимости от давления состав питания может принадлежать то одной, то другой области ректификации. Именно это свойство используется в двухколонных комплексах, предназначенных для разделения азеотропных смесей, в которых колонны работают при разных давлениях. Количество рецикла в общем случае зависит от состава исходной смеси, поступающей на разделение, и разности концентраций компонента А в азеотропах при двух выбранных давлениях, Причем, чем меньше эта разность, тем больше будет рецикл. Непременным условием разделения в таком комплексе бинарной смеси на чистые компоненты является более высокое содержание компонента А в азеотропе, выходящем из первой колонны, по сравнению с его содержанием в азеотропе, выходящем из второй колонны и поступающем в первую. Поскольку изменение состава азеотропа, приходящееся на один градус температуры, согласно закону Вревского, зависит от разности молярных теплот испарения компонентов, то рассматриваемый метод разделения тем эффективнее, чем больше отличаются теплоты испарения разделяемых смесей.

1.2.2. Методы ректификации азеотропных смесей с использованием разделяющих агентов [5].

Выбор разделяющих агентов.

При выборе разделяющих агентов для процессов азеотропной и экстрактивной ректификации должны учитываться свойства системы, подлежащей разделению.

Разделяющие агенты должны удовлетворять следующим требованиям:

1) изменение относительной летучести компонентов заданной смеси в желательном направлении;

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

3) безопасность в обращении, доступность и дешевизна;

4) инертность по отношению к компонентам заданной смеси, неспособность вызывать коррозию аппаратуры или разлагаться при нагревании.

Вопросы, связанные с удовлетворением требований, изложенных в пунктах 2, 3 и 4, относятся к числу обычных технологических вопросов. Их решение определяется в основном свойствами системы, подвергаемой разделению. Наиболее сложной задачей является выбор разделяющих агентов, удовлетворяющих первому требованию.

Все известные методы выбора разделяющих агентов можно разделить на две группы:

1) методы, основанные на использовании данных о свойствах растворов, образуемых компонентами заданной смеси и предполагаемыми разделяющими агентами;

2) методы, использующие данные о свойствах компонентов.

Во всех случаях для определения применимости того или иного вещества в качестве разделяющего агента следует исходить из оценки степени неидеальности бинарных систем, образованных этим веществом и компонентами заданной смеси. Специфика разделяющих агентов, применяемых в процессах азеотропной ректификации, заключается в том, что они должны образовать азеотропы с компонентами исходной смеси. В связи с этим дополнительно приходится определять наличие и свойства азеотропов.

Сравнительная оценка методов выбора разделяющих агентов [5].

Методы выбора разделяющих агентов основываются на сравнительной оценке степени неидеальности бинарных систем, образованных компонентами заданной смеси и предполагаемым разделяющим агентом. Следовательно, наиболее надежными надо считать те методы, которые позволяют с наибольшей достоверностью судить о характере и величине отклонений от закона Рауля в указанных бинарных системах. Предпочтительны методы, базирующиеся на использовании свойств растворов, в первую очередь таких, как температура кипения смесей, составы и температура кипения азеотропов и растворимость. Весьма эффективен и удобен выбор разделяющих агентов с помощью газо-жидкостной хроматографии в связи с широким применением этого метода в исследовательских и заводских лабораториях.

Сопоставляя различные методы выбора разделяющих агентов, необходимо иметь в виду, что все свойства растворов взаимосвязаны и их значения определяются свойствами компонентов и интенсивностью их взаимодействия друг с другом. Поэтому о характере отклонений от идеальности можно судить не по одному, а по ряду свойств.

Для выбора разделяющего агента может быть рекомендован следующий путь. Прежде всего, нужно рассмотреть данные о свойствах компонентов смеси, подлежащей разделению, а также условия равновесия между жидкостью и паром, чтобы выяснить ограничения относительно химической совместимости разделяющих агентов, и определить основные требования к ним с учетом степени неидеальности заданной смеси. Затем следует проанализировать данные о равновесии между жидкостью и паром, об азеотропных смесях и растворимости в системах, образованных компонентами заданной смеси. Если соответствующие данные о свойствах растворов отсутствуют или их недостаточно, то, руководствуясь представлениями о полярности, о водородной связи или образовании π-комплексов, следует наметить классы соединений, которые интересно испытать в качестве предполагаемых разделяющих агентов.

При сравнительной оценке различных разделяющих агентов учитываются, естественно, технико-экономические факторы - стоимость, доступность, пригодность в коррозионном отношении, токсичность, пожароопасность и др.

Экстрактивная ректификация [3].

Пусть необходимо разделить на достаточно чистые компоненты трудноразделимую бинарную смесь (α→1 или существует азеотроп). К такой смеси добавляют специально подобранный компонент (обычно — труднолетучий), избирательно растворяющий один из компонентов исходной смеси (например, компонент В) и мало растворяющий другой (компонент А). Иными словами, введение в систему третьего компонента заметно понижает упругость паров р_в растворяемого компонента бинарной смеси, увеличивая тем самым коэффициент относительной летучести: α'_АВ>α_АВ разделяемой смеси. Этот метод ректификации и получил название экстрактивной ректификации,а дополнительный компонент — разделяющего, или экстрагирующего агента..

Линия равновесия бинарной смеси при наличии разделяющего компонента представлена на рис.1.1 (сплошная линия) в сравнении с равновесием без него (штриховая линия). Очевидно, что количественный эффект разделяющего компонента при прочих равных условиях определяется его концентрацией в разделяемой смеси. Поэтому в случае непрерывной ректификации на линии равновесия наблюдается скачок концентраций в паровой фазе (в точке с абсциссой х₁), обусловленный изменением концентрации экстрагирующего агента в жидкости при подаче в колонну исходной смеси.

 

 

Рис.1.1. Диаграмма равновесия и построение теоретических ступеней в присутствии экстрагирующего агента.

 

К экстрагирующему агенту предъявляется ряд требований помимо избирательного растворения одного из компонентов разделяемой смеси; основные из этих требований следующие:

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

2) 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 НКК исходной смеси (что позволяет его выделять без больших энергетических и капитальных затрат).

На рис.1.2 представлена схема разделения исходной смеси А+В методом экстрактивной ректификации с добавлением труднолетучегоразделяющего агента С, хорошо растворяющего компонент В. Компонент С подается на одну из верхних тарелок колонны 1 и вместе с флегмой стекает вниз по колонне. Растворяя в себе компонент В, разделяющий агент С понижает тем самым упругость его паров и способствует разделению А и В. Верхний продукт колонны 1представляет собой компонент А заданной чистоты, а нижний продукт — смесь В+С. Насосом 3эта смесь подается в колонну 2, где методом обычной ректификации получают компоненты В (верхний продукт) и С (нижний продукт). При этом колонна 2, как правило, отличается небольшой высотой и работает с небольшим флегмовым числом, поскольку компоненты В и С существенно различаются по температуре кипения (см. второе требование к экстрагирующему агенту). Экстрагирующий агент С насосом 4подают в колонну 1, замыкая цикл по компоненту С. Результатом работы по такой схеме является разделение исходной смеси А+В на отдельные компоненты А и В, причем некоторые потери разделяющего компонента С с этими продуктами восполняются.

 

 

Рис.1.2. Схема установки для экстрактивной ректификации: 1,2- ректификационные колонны, 3,4- насосы, 5- кипятильники, 6- конденсаторы; I- охлаждающая вода, II- греющий пар, III-конденсат, IV- восполнение потерь экстрагирующего агента.

 

В том случае, если экстрагирующий агент является легколетучим, т.е. отличается наиболее низкой температурой кипения (t<t_A) в колонну 1 он подается снизу, а выводится вместе с низкокипящим компонентом А- сверху. Высококипящий компонент В отводится снизу колонны 1, а смесь А+С разделяется в колонне 2.