научная статья по теме ИЗОКРИТЕРИАЛЬНЫЕ МНОГООБРАЗИЯ ПРИ ЭКСТРАКТИВНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ СМЕСИ МЕТАНОЛ–Н-ПРОПИЛАЦЕТАТ–ТОЛУОЛ С АНИЛИНОМ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ИЗОКРИТЕРИАЛЬНЫЕ МНОГООБРАЗИЯ ПРИ ЭКСТРАКТИВНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ СМЕСИ МЕТАНОЛ–Н-ПРОПИЛАЦЕТАТ–ТОЛУОЛ С АНИЛИНОМ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2009, том 43, № 2, с. 155-162

УДК 660:51.001.57+66

ИЗОКРИТЕРИАЛЬНЫЕ МНОГООБРАЗИЯ ПРИ ЭКСТРАКТИВНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ СМЕСИ МЕТАНОЛ-Я-ПРОПИЛАЦЕТАТ-ТОЛУОЛ С АНИЛИНОМ

© 2009 г. Б. Б. Долматов, Е. А. Анохина, А. В. Тимошенко

Московская государственная академия тонкой химической технологии им. М.В. Ломоносова

borisdolm@yandex. ги Поступила в редакцию 06.10.2008 г.

Настоящая работа посвящена исследованию расположения изокритериальных многообразий и областей энергетической оптимальности комплексов экстрактивной ректификации в симплексе исходных составов питания при разделении смеси метанол-н-пропилацетат-толуол. Разделяемая смесь содержит в себе один бинарный азеотроп с минимумом температуры кипения (в бинарной паре метанол-толуол) и один тангенциальный азеотроп вблизи чистого н-пропилацетата (в паре н-пропилацетат-толуол). Для разделения этой смеси было предложено использовать анилин в качестве экстрактивного агента.

Задача синтеза оптимальной технологической схемы является одной из основных в химической технологии. В полной мере это относится и к подсистеме разделения, которая в большинстве производств органического синтеза представляет некоторую последовательность ректификационных колонн, связанных прямыми и обратными материальными потоками. Необходимость процедуры оптимизации схемы ректификации определяется термодинамически необратимым характером процесса, что приводит к зависимости затрат энергии и производства энтропии от пути его протекания. Очевидно, что наиболее полно путь процесса отображает его траектория.

Показано, что графы траектории ректификации просто преобразуются в графы технологических схем путем добавления ориентированных ребер, отображающих материальные потоки между отдельными аппаратами схемы [1]. Следовательно, множество технологических схем ректификации можно рассматривать как отображение множества траекторий ректификации на множество аппаратов разделения и связей между ними. Это позволяет рассматривать схему как путь процесса.

В связи с этим важной и интересной задачей является синтез всего множества технологических схем разделения. Эта, казалось бы, простая комбинаторная задача была решена даже для самых простых последовательностей двухсекционных колонн относительно недавно [2]. Для азеотропных смесей решение этой задачи осложняется наличием термо-динамико-топологических ограничений на составы продуктовых потоков. Это приводит к тому, что в общем случае заранее неизвестен набор разделительных элементов и комплексов, обеспечивающих

получение заданного продукта. Поэтому на первом этапе должна быть решена задача поиска возможных схем [3].

Основой для преодоления термодинамико-топо-логических ограничений служит принцип перераспределения полей концентраций между областями разделения [4, 5], например, можно использовать экстрактивную ректификацию. При экстрактивной ректификации снимаются ограничения на составы продуктовых потоков, что позволяет использовать для процедуры синтеза в качестве прообразов схемы разделения зеотропных смесей [6].

Известно, что для зеотропных смесей все множество составов питания распадается на ряд подмножеств, для каждого из которых имеется единственная оптимальная по заданному критерию схема ректификации - области оптимальности. Границами между областями оптимальности выступают изо-критериальные многообразия, являющиеся множествами составов питания, для которых значения критерия оптимизации равны для двух или нескольких технологических схем. Впервые такое разбиение концентрационного пространства было выявлено авторами [7] и для широкого класса трех- и четырех-компонентных смесей исследовано в работах [8-11]. В случае если рассматривается разделение только в простых колоннах [8-9], число областей оказывается равным числу возможных схем. В трехкомпо-нентных системах выявлено две, а в четырехкомпо-нентных - пять областей оптимальности.

Однако исследований для схем экстрактивной ректификации азеотропных смесей не проводилось.

Для каждого фазового портрета парожидкостно-го равновесия имеется некоторое конечное счетное

(а) (б)

Рис. 1. Схемы экстрактивной ректификации бинарной азеотропной смеси: (а) - традиционный вариант; (б) - вариант с частично связанными тепловыми и материальными потоками. А и В - компоненты исходной смеси; 5 - экстрактивный агент; 1 - колонна экстрактивной ректификации, 2 - колонна регенерации экстрактивного агента.

множество схем экстрактивной ректификации. Поскольку схемы могут состоять не только из двухот-борных колонн, но и включать в себя комплексы с частично связанными тепловыми и материальными потоками, то даже для экстрактивной ректификации бинарной азеотропной смеси имеются, по крайней мере, два варианта разделения (рис. 1).

Эффективность применения теплоинтеграции при экстрактивной ректификации была продемонстрирована в [12-14]. Например, при разделении азеотропной смеси ацетон-хлороформ с диметил-формамидом разница в энергопотреблении между различными вариантами разделения составляет от 25.9 до 32.2 мол. % в зависимости от состава питания.

Однако для бинарной смеси говорить как о наличии областей оптимальности, так и об изокри-териальных многообразиях в концентрационном симплексе исходных составов следует достаточно осторожно, поскольку схемы с теплоинтеграцией потоков за счет исключения некоторых зон необратимого смешения могут оказаться лучше по энергопотреблению во всем диапазоне.

Для разделения многих трехкомпонентных азео-тропных смесей даже при использовании только двухотборных колонн существуют более одной технологической схемы экстрактивной ректификации [6]. Еще больше возможностей для проведения анализа эффективности схемы от состава питания открывает применение теплоинтеграции, поскольку это приводит к резкому увеличению числа вариантов [15].

В настоящей работе поставлена цель изучения расположения областей оптимальности и разделяющих их изокритериальных многообразий при экстрактивной ректификации смеси метанол-н-про-

пилацетат-толуол. В качестве критерия оптимизации принят минимум суммарных тепловых нагрузок на кубы колонн.

Исходная трехкомпонентная смесь имеет один бинарный азеотроп метанол-толуол с глобальным минимумом температуры кипения и тангенциальный азеотроп в системе н-пропилацетат-толуол вблизи чистого н-пропилацетата. В качестве экстрактивного агента выбран анилин. Для расчета па-рожидкостного равновесия использовали модель ИМБАС. Средняя погрешность описания по отношению к имеющимся экспериментальным данным составляет 3.6%.

В симплексе исходной трехкомпонентной смеси реализуется один пучок дистилляционных траекторий.

На первом этапе работы было определено влияние экстрактивного агента на относительную летучесть азеотропообразующей пары компонентов смеси (метанол-толуол). На рис. 2 представлено расположение альфа-многообразий. Единичное альфа-многообразие делит концентрационный симплекс на две части: область, где относительная летучесть меньше единицы, прилегает к вершине метанола и занимает относительно небольшую область симплекса. Видно, что при увеличении количества экстрактивного агента относительная летучесть пары компонентов смеси увеличивается, но не очень сильно.

Для разделения трехкомпонентной смеси мета-нол-н-пропилацетат-толуол возможны три схемы экстрактивной ректификации, состоящие из двухотборных колонн (рис. 3).

В схеме I практически чистый метанол выделяется в качестве дистиллята первой колонны, практически чистый анилин - в качестве кубового продукта

Алании

компонентная смесь 1 : 1.

второй колонны, а зеотропная пара н-пропилаце-тат-толуол делится в третьей колонне. Во второй схеме реализуется вариант первого заданного разделения, т.е. в первой колонне выделяется метанол, во второй - н-пропилацетат, а в третьей колонне происходит регенерация экстрактивного агента. Третий вариант представляет собой трехколонную схему, в которой на первом этапе отделяют зеотропную составляющую, т.е. толуол выделяется как кубовый продукт первой колонны, во второй колонне экстрактивной ректификацией разделяется пара н-про-пилацетат-толуол, а в третьей колонне происходит регенерация экстрактивного агента.

Для получения данных о геометрии распределения концентрационных областей оптимальности и изокритериальных многообразий этих технологических схем разделения был выбран набор составов питания, представленный в табл. 1, так чтобы точки лежали в разных областях симплекса и обеспечивали получение сечений, которые позволяют интерполировать данные, полученные для конкретных точек.

Таким образом, внутри исходного концентрационного симплекса была выделена область питания, внешние границы которой параллельны границам симплекса X = 0.2 мол. д.

В каждой выбранной точке определяли суммарные затраты тепла в кубах колонн каждой схемы. При этом поддерживали постоянную кратность орошения анилином по отношению к количеству исходной трехкомпонентной смеси, подаваемой на разделение, равную единице. Брутто-составы ис-

ходной смеси, подаваемой на разделение, вместе с анилином представлены на рис. 2 (сечение 1).

Сопоставление схем проводили при оптимальных для каждой из них рабочих параметрах: температуре разделяющего агента и положении тарелок ввода питания и экстрагента в колоннах схем.

Оптимизацию проводили с использованием программного комплекса НУБУБ. Расчеты выполняли в проектно-поверочном варианте на 100 кмоль/ч исходной смеси, поступающей на разделение при температуре кипения. Все аппараты схемы работают при давлении 1 атм. Качество продуктовых фракций задавали равным для метанола - 99.5 мол. %, для н-пропилацетата и толуола - 98.5 мол. %, для анилина - 99.9 мол. % Суммарное число теоретических ступеней разделения в схемах было равным и составляло 200 теоретических тарелок.

Погрешность определения значения критерия оптимизации составляла 0.1%.

Процедура оптимизации каждой из схем включала в себя определение оптимального положения

Таблица 1. Исходные составы питания

п Хм-ХП-Хх, мол. % п Хм-Хп-Хх, мол. %

1 80-10-10 5 33-33-33

2 33-57-10 6 33-10-57

3 10-80-10 7 1

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

Пoхожие научные работыпо теме «Химическая технология. Химическая промышленность»