научная статья по теме СИНТЕЗ И ДИСКРИМИНАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ РАЗДЕЛЕНИЯ РЕАКЦИОННОЙ СМЕСИ ПРОИЗВОДСТВА МЕТИЛТРЕТБУТИЛОВОГО ЭФИРА Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «СИНТЕЗ И ДИСКРИМИНАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ РАЗДЕЛЕНИЯ РЕАКЦИОННОЙ СМЕСИ ПРОИЗВОДСТВА МЕТИЛТРЕТБУТИЛОВОГО ЭФИРА»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2015, том 49, № 3, с. 295-301

УДК 66.011+66.048.62

СИНТЕЗ И ДИСКРИМИНАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ РАЗДЕЛЕНИЯ РЕАКЦИОННОЙ СМЕСИ ПРОИЗВОДСТВА МЕТИЛТРЕТБУТИЛОВОГО ЭФИРА © 2015 г. О. Н. Крупинова, В. И. Жучков, А. К. Фролкова

Московский государственный университет тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова

v-zhuchkov@yandex.ru Поступила в редакцию 01.12.2014 г.

Проведен синтез возможных технологических схем разделения четырехкомпонентной смеси, образующейся в производстве метилтретбутилового эфира, с использованием различных специальных методов и осуществлен выбор наиболее энергетически выгодного варианта схемы.

Ключевые слова: технологическая схема, разделительный комплекс, специальные методы разделения, метилтретбутиловый эфир, метанол, третбутиловый спирт.

БО1: 10.7868/80040357115030069

ВВЕДЕНИЕ

Большинство технологических схем ректификации азеотропных смесей включает в качестве составного элемента разделительные комплексы как совокупности аппаратов, охваченных обратными (рецикловыми) потоками. Функционирование всех комплексов базируется на специфике фазового поведения исходной системы в различных условиях [1]. При разделении смесей, содержащих более трех компонентов, появляется возможность формирования новых структур схем за счет комбинирования в схеме разных элементов (одиночных колонн, линейных фрагментов, комплексов) и последовательности их расположения. При этом схема может быть единым комплексом разделения исходной многокомпонентной смеси, когда рецикловый поток охватывает все колонны, или включать комплекс разделения азеотропной составляющей смеси с меньшим числом компонентов (например, бинарной составляющей), который чаще всего является концевым элементом [2]. Таким образом, задача синтеза структур схем разделения азеотропных смесей имеет решения в области комбинаторики [3] как раздела дискретной математики о перечислении (подсчете) различных конфигураций, образуемых элементами конечных множеств, на которые накладываются определенные ограничения.

Настоящая работа посвящена синтезу и сравнению схем ректификационного разделения че-тырехкомпонентной смеси метилтретбутиловый эфир (1)—метанол (2)—третбутиловый спирт (3)— вода (4), образующейся в производстве метил-третбутилового эфира (МТБЭ) из метанола и третбутилового спирта (ТБС), с использованием специальных методов.

РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Ранее авторами [4] были получены параметры уравнения МЯТЬ и проведен расчет фазового равновесия исследуемой четырехкомпонентной системы. Отмечено удовлетворительное совпадение расчетных температур кипения и составов азео-тропов с экспериментальными справочными данными, что подтверждает адекватность математической модели фазового равновесия. Показано, что концентрационный тетраэдр содержит две области дистилляции, разделенные сепара-трическим многообразием (рис. 1), которое порождено седловинным азеотропом ТБС—вода и накладывает основное термодинамическое ограничение на процесс ректификационного разделения исходной смеси.

2 (Метанол)

Рис. 1. Структура сепаратрического многообразия в концентрационном тетраэдре (Л — азеотроп).

Таблица 1. Характеристики принципиальных схем разделения четырехкомпонентной смеси МТБЭ—мета-нол—ТБС—вода

Номер схемы Представление схемы в виде перечисления составляющих элементов Число колонн Суммарные энергозатраты кип., х106 кДж/ч

1 :.К1.Ь2 6 35.86

2 1.К1.Ь3 7 36.82

3 1.К2.Ь2 7 20.96

4 1.К2Х3 8 21.92

5 :.К3.Ь2 7 36.64

6 :.К3.Ь3 8 37.60

7 :.К4.Ь2 6 23.18

8 :.К4.Ь3 7 24.14

9 II.K1.L2 6 37.04

10 II.K1.L3 7 38.00

11 II.K2.L2 7 22.14

12 II.K2.L3 8 23.10

13 II.K3.L2 7 37.82

14 II.K3.L3 8 38.78

15 II.K4.L2 6 24.36

16 II.K4.L3 7 25.32

17 III.K5.L2 6 16.95

18 III.K5.L3 7 17.91

19 III.K6.L2 7 26.41

20 III.K6.L3 8 27.37

21 !УХ2 6 17.77

22 !УХ3 7 18.73

23 УХ2 4 17.31

24 УХ3 5 18.27

Для синтеза принципиальных схем разделения принимаем эквимолярный состав исходной смеси [5], точка которого принадлежит области дистилляции, примыкающей к воде. На рис. 2 приведены пять возможных вариантов (1—У) первичного разделения исходной четырехкомпонентной смеси.

В дальнейшем будем рассматривать в первой колонне схем 1—1У режим первого заданного разделения, при котором в дистилляте возможно выделение тройного азеотропа МТБЭ—метанол—во-да (1—2—4), а в кубе — трехкомпонентной смеси метанол—ТБС—вода (2—3—4). Состав кубового продукта принадлежит области 2—34—4 и при его ректификации на второй колонне в дистилляте выделяется метанол, в кубе бинарная смесь ТБС— вода (3—4), для разделения которой потребуются специальные методы (в модулях Ь на последующих рисунках). Организация второго заданного разделения в первой колонне нецелесообразна, поскольку после отделения воды в ее кубе состав дистиллята представляет тройную смесь, принадлежащую сепаратрисе.

Для последующего разделения тройного азео-тропа МТБЭ—метанол—вода используются: в схеме I перевод точки состава питания колонны Т3 в более благоприятную область ректификации (за счет добавления метанола к трехкомпонентному азеотропу МТБЭ—метанол—вода); в схеме II комплекс колонн Т1—Т3, работающих под разными давлениями; в схеме III — автоэкстрактивно-гете-роазеотропной ректификации с водой в качестве разделяющего агента; в схеме ГУ — экстрактивной ректификации с этиленгликолем (ЭГ), используемой на промежуточном этапе разделения. В схеме У в первой колонне реализована экстрактивная ректификация исходной четырехкомпонентной смеси с разделяющим агентом — этиленгликолем.

Как уже отмечалось, в схемах I—ГУ в кубе колонны Т2 (рис. 2) выделяется бинарная смесь ТБС—вода, которую в дальнейшем можно разделить на чистые вещества специальными методами в комплексе колонн (рис. 3), основанных на варьировании давления (модуль Ь1), где РТ3 = = 760 мм рт. ст., РТ4 = 152 мм рт. ст.; применении гетероазеотропной ректификации с н-пентаном (модуль Ь2) или экстрактивной ректификации с диметилсульфоксидом (ДМСО) (модуль Ь3).

В схемах I—II разделение азеотропной составляющей МТБЭ—метанол (1—2) происходит одинаково: с использованием комплексов колонн, работающих под разными давлениями (модуль К1); автоэкстрактивно-гетероазеотропной ректификации с водой (модуль К2); экстрактивной ректификации с ТБС (модуль К3) или этиленгликолем (модуль К4). На рис. 4 приведена в качестве примера структура схемы I, включающая модули Щ.

В схеме III рассматриваются два варианта разделения азеотропной составляющей МТБЭ— вода (1—4) (рис. 5) — за счет сочетания ректификации с расслаиванием во флорентийском сосуде (модуль К5) или с последующей экстрактивной ректификацией с ТБС (модуль К6).

В схемах IV и У требуется разделение азеотропа ТБС—вода (3—4) с использованием предложенных ранее специальных методов в модулях Ц.

На основании проведенного исследования синтезированы 36 вариантов возможных технологических схем разделения реакционной смеси, составленных из указанных модулей (рис. 6). Поскольку применение вакуума (модуль Ь1) сопряжено с определенными технологическими сложностями, схемы с этим модулем мы исключаем из дальнейшего рассмотрения.

В вычислительном эксперименте с использованием математической модели фазового равновесия МЯТЬ [4] определены статические параметры работы колонн, обеспечивающие заданные разделения и ожидаемое качество продуктовых потоков.

В табл. 1 представлены структуры 24 схем как перечисление вариантов первичного разделения смеси (I—V) и модулей специальных методов (Ы, К]), используемых на разных стадиях разделения; коли-

S1

D3 = 1-2

D1 = Лгг

W1 = 2-3-4

D2 = 2

= 3-4

W3 = 4

D1 = Лг,-

II

D3 = 12

т^;Р2

S1 -:т1

Р1

W1 = 2-3-4

D2 = 2

W2 = 3-4

S1

III

D3 = 14

ЭА = 4 D1 = Лг124

W3 =

D4 = 2 W4 = 4

W1 = 2-3-4

D2 = 2

W2 = 3-4

D3 = 1

ЭА = ЭГ

IV

D5 = 2

D4 = 24

В1"=Аг

124

S1-

^3= 2-4-ЭГ

W4 = ЭГ W5 = 4

D2 = 2

W1 = 2-3-4

ЭГ 81

V

D1 = 1 D3 = 2

D2 = 2-3-4,

W1 = 2-3-4-ЭГ

W3 = 3-4

W2 = ЭГ

I

W2 = 3-4

Рис. 2. Возможные варианты первичного разделения исходной смеси. В, W — обозначения дистиллята и кубового продукта в колоннах (Т1); 81 — поток исходной смеси; ЭА — экстрактивный агент.

В3 = 1-2

В3 = 1-2

81

В1 = Лг.-

В2 = 2 ТО = 4

В7 = 3-4

W1 = 2-3-4

В6 = 3-4

Т6

W2 = 3-4

L1

W6 = 4

Р4

W7 = 3

В1 = Лг1-

81-^-:Т1

В1 = Лгу

81 Т1

В2 = 2

W3 = 4

W1 = 2-3-4

у2 = 3-4

4-н-пентан

Т6 4

W6 = 3

н-пентан

В3 = 1-2

W3 = 4

В2 = 2 ,Т2' В6 = 3

W1 = 2-3-4 У^ЭА=ДМСО" W2 ="3-4^6

В7 = 4

L3

W6

W7 = ДМСО

L2

Рис. 3. Схема I с использованием специальных методов разделения бинарной смеси ТБС—вода в модулях Ц (Ь1—Ь3). ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ том 49 № 3 2015

K1

D4 = 1-4 D6 = !-4

W6 = 1

K2

S1 -T1

W2 = 3-4

W2 = 3-4

" " D4 = 1 K4

ЭА= ЭГ

S1 T1

W2 = 3-4

W2 = 3-4

Рис. 4. Схема I с использованием специальных методов разделения бинарной смеси МТБЭ—метанол в модулях Е] (К1—К4).

S1

S1

K6

W2 = 3-4

Рис. 5. Варианты разделения смеси МТБЭ—вода в схеме III с использованием специальных методов в модулях Kj (К5—К6).

Рис. 6. Синтезированное множество принципиальных технологических схем разделения реакционной смеси.

Рис. 7. Рациональная схема разделения смеси МТБЭ—метанол—ТБС—вода.

чества колонн и общие энергозатраты на разделение 100 кг моль/ч исследуемой четырехкомпо-нентной смеси МТБЭ—метанол—ТБС—вода.

Из табл. 1 видно, что по сумме капитальных и эксплуатационных затрат наиболее приемлемой является схема 23 (рис. 7), которая включает комплекс экстрактивной ректификации с этиленгли-колем (Т1—Т2) и колонну (Т6) гетероазеотропной ректификации с н-пентаном. Так как растворимость н-пентана в воде достаточна мала, то дальнейшей очистки водного слоя после флорентийского сосуда не требуется (табл. 2) и он рассматривается как продуктовый поток. Органический

Таблица 2. Растворимость н-пентана в воде

Температура Концентрация н-пентана Литературный источник

16°С 0.0006 см3/см3 [6]

298.15 К 10.3 ррт [7]

285.1 К 7.52Е-05 м.д. [8]

Таблица 3. Параметры оптимизации итоговой схемы

№ колонны Общая эффективность колонны, т.т. Номер тарелки питания Флегмовое число

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком