close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследование процесса ректификации с целью создания ресурсосберегающих технологий в производстве кремнийорганических эмалей

код для вставкиСкачать
ФИО соискателя: Клейменова Марина Николаевна Шифр научной специальности: 05.17.08 - процессы и аппараты химических технологий Шифр диссертационного совета: Д 212.004.08 Название организации: Алтайский государственный технический университет им.И.И.П
На правах рукописи
Клейменова Марина Николаевна
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ С ЦЕЛЬЮ СОЗДАНИЯ
РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ В ПРОИЗВОДСТВЕ
КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИХ ЭМАЛЕЙ
Специальность 05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Бийск – 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Алтайский
государственный технический университет им. И.И. Ползунова (АлтГТУ)»
Научный руководитель
доктор технических наук, профессор,
Комарова Лариса Федоровна
Официальные оппоненты:
Хмелев Владимир Николаевич,
доктор технических наук, профессор,
Бийский технологический институт (филиал)
ФГБОУ ВПО АлтГТУ, заместитель директора по
научной работе
Василишин Михаил Степанович,
кандидат технических наук, доцент,
ИПХЭТ СО РАН, заведующий лабораторией
Ведущая организация
ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский
Томский политехнический университет»
Защита состоится216 апреля 2012 года в 14 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.004.08 в Бийском технологическом институте
(филиале) федерального государственного бюджетного образовательного
учреждения
высшего
профессионального
образования
«Алтайский
государственный технический университет им. И.И. Ползунова» по адресу:
659305, Алтайский край, г. Бийск, ул. Трофимова, 27.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Бийского
технологического института (филиала) федерального государственного
бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального
образования «Алтайский государственный технический университет
им. И.И. Ползунова».
Автореферат разослан 15 марта 2012 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Светлов С.А.
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Работа предприятий химической отрасли отличается большим разнообразием выпускаемой продукции и значительной токсичностью компонентов, используемых в основном производственном цикле и
образующихся в качестве побочных продуктов реакции. Именно с ними и возникают основные проблемы, связанные с необходимостью их обезвреживания
или утилизации, которые в настоящее время осуществляют зачастую путем
термической деструкции образующихся отходов. Это в свою очередь приводит
к вторичному загрязнению атмосферного воздуха и потере ценных сырьевых
компонентов, которые более целесообразно выделять из реакционных смесей
и повторно использовать в производственном цикле.
Все вышесказанное актуально и для производства кремнийорганических
эмалей (КОЭ), которые имеют широкий спектр применения в различных отраслях промышленности, и пользуется спросом, как на отечественном, так и
мировом рынке. В России имеется несколько крупных производителей КОЭ:
завод НПФ «Эмаль» г. Канаш Чувашия, ЗАО НПП «Спектр» г. Новочебоксарск, ЗАО «Оливеста» (Московский лакокрасочный завод) г. Москва,
ООО «Спецэмаль» г. Ярославль, Омский лакокрасочный завод «Цветной бульвар» г. Омск и др. Линия по производству кремнийорганических эмалей существует и на ОАО «Алтайхимпром» им. Г.И. Верещагина в г. Яровое Алтайского края, где расположена грязелечебница российского масштаба. Поэтому чтобы сохранить благоприятную экологическую обстановку в месте бальнеологического курорта и края в целом, на химическом предприятии необходимо внедрять малоотходные ресурсосберегающие технологии, которые позволяют
максимально минимизировать воздействие на окружающую среду.
При получении кремнийорганических эмалей на ОАО «Алтайхимпром»
ежегодно термической деструкции подвергается около 1,5 тысяч тонн бутанольно-толуольной смеси (БСТ), в состав которой входят этанол, толуол, бутанол, хлорбензол и вода. Это приводит с одной стороны к загрязнению окружающей среды, а с другой – к потерям целевых и побочных продуктов, которые более рационально выделять и использовать в качестве вторичных ресурсов. Для решения подобной задачи применяются различные методы разделения многокомпонентных жидких смесей, такие как дистилляция, ректификация, экстракция, расслаивание, различные мембранные методы и т.п. Из них
для регенерации компонентов бутанольно-толуольной смеси наиболее целесообразно использовать ректификацию, поскольку она позволяет получить необходимые продукты заданного качества при достаточно простом аппаратурном
оформлении и возможности широкого диапазона регулирования рабочих параметров для достижения поставленной задачи.
Цель работы: разработка технологических схем ректификационного
разделения жидких отходов растворителей, образующихся в производстве
кремнийорганических эмалей, для их дальнейшего возврата в производство и
использования в качестве вторичного сырья.
3
Основные задачи:
- создание принципиальных технологических схем разделения (ПТСР) бутанольно-толуольной смеси на основе ректификации;
- разработка методики хроматографического анализа БСТ;
- изучение равновесия жидкость-пар с последующим его математическим описанием;
- исследование растворимости жидкость-жидкость, его математическая обработка;
- проведение ректификационного анализа бутанольно-толуольной смеси;
- разработка термодинамико-топологического анализа исходной смеси;
- поиск разделяющего агента (РА) для разделения смесей, образованных спиртами, водой и ароматическими углеводородами;
- параметрическая оптимизация режимов работы разделительных элементов
альтернативных схем разделения БСТ и выбор окончательного варианта разделения исходной смеси.
Объект исследования: производство кремнийорганических эмалей.
Предмет исследования: процесс ректификационного разделения бутанольно-толуольной смеси.
Научная новизна:
- впервые предложены на основе простой и азеотропной ректификации технологии разделения отходов растворителей, образующихся в производстве кремнийорганических эмалей, для их дальнейшего использования в качестве вторичного сырья;
- разработана методика хроматографического анализа бутанольно-толуольной
смеси на хроматографе «Хромос ГХ-1000» с температурным программированием;
- впервые получены экспериментальные данные по равновесию жидкость-пар
в бинарной и двух тройных подсистемах; для десяти бинарных систем проведено математическое описание парожидкостного равновесия с помощью уравнений Вильсона, NRTL и групповой модели UNIFAС;
- изучена растворимость жидкость-жидкость в системе этанол-вода-толуолхлорбензол и проведена его математическая обработка уравнением NRTL;
- выполнен термодинамико-топологический анализ, на его основе впервые
синтезированы потоковые графы всех возможных путей разделения БСТ, из
которых выбраны две принципиальные технологические схемы на основе простой и азеотропной ректификации с проведением параметрической оптимизация режимов работы технологических комплексов.
Практическая значимость:
- созданы на основе простой и азеотропной ректификации ресурсосберегающие технологии разделения БСТ;
- технологические схемы разделения бутанольно-толуольной смеси предлагается реализовать в производствах кремнийорганических эмалей, а также в других отраслях промышленности, где используются компоненты, входящие в
состав БСТ и стоит задача их выделения;
4
- экспериментальные данные по парожидкостному равновесию, расслаиванию
и результаты их математического описания рекомендуются для использования
при создании технологий ректификационного разделения смесей, включающих аналогичные вещества;
- внедрение предложенных схем разделения БСТ позволит выделить целевые
компоненты, тем самым, снизив расходные коэффициенты по сырью при производстве кремнийорганических эмалей, а также получить дополнительный
продукт – спирт-ректификат.
Апробация работы. Материалы диссертации ежегодно докладывались
на научно-практических конференциях АлтГТУ (Барнаул, 2006-2011), на XII и
XV Международных экологических студенческих конференциях «Экология
России и сопредельных территорий. Экологический катализ» (Новосибирск,
2006 г., 2010 г.), на Международном форуме «Экологическая и промышленная
безопасность» (Тольятти, 2007 г.), на XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов - 2008» (Москва, 2008 г.),
на 4-ой Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности»
(Бийск, 2011 г.), на XII Всероссийской научно-практической конференции
студентов и молодых ученых с международным участием «Химия и химическая технология в XXI веке» (Томск, 2011 г.).
На защиту выносятся:
- разработанные на основе простой и азеотропной ректификации ресурсосберегающие технологии разделения отходов растворителей, образующихся в
производстве кремнийорганических эмалей, для их дальнейшего использования в качестве вторичного сырья;
- методика хроматографического анализа бутанольно-толуольной смеси на
хроматографе «Хромос ГХ-1000» с температурным программированием;
- результаты исследования равновесия жидкость-пар в бинарной и двух тройных системах, полученные экспериментально; в десяти системах, спрогнозированные по уравнениям Вильсона, NRTL и с помощью групповой модели
UNIFAC;
- данные по растворимости жидкость-жидкость в системе этанол-вода-толуолхлорбензол;
- термодинамико-топологический анализ бутанольно-толуольной смеси, синтез на его основе ПТСР;
- оптимизация режимов работы ректификационных колонн по выделению вторичного сырья и дополнительных продуктов.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 30 работ, в том
числе 5 статей, которые входят в перечень изданий, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти
глав, основных результатов работы, списка литературы из 120 наименований,
приложения. Работа изложена на 123 страницах машинописного текста.
Автор выражает глубокую признательность за помощь и ценные советы
при выполнении настоящей работы к.т.н., доценту кафедры ХТИЭ Лазутки5
ной Ю.С. (ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им.И.И. Ползунова», г. Барнаул).
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе проведен обзор возможных путей использования кремнийорганических эмалей, способов их синтеза и переработки и утилизации
отходов производства. Показано, что все существующие приемы направлены
на переработку отходов, а не на снижение их количества в процессе обработки
сырья.
Анализ методов разделения реакционной смеси производства БСТ показал предпочтительность использования ректификации перед другими массообменными процессами – сорбцией, экстракцией, первапорацией, поэтому
разработка малоотходной технологии разделения бутанольно-толуольной смеси в настоящей работе основана на данном процессе. Рассмотрен современный
подход к изучению закономерностей процесса ректификации, основанный на
термодинамико-топологическом анализе, разработанного в научной школе
Л.А. Серафимова и В.Т. Жарова. Подробно описаны теоретические основы
разделения азеотропных и близкокипящих смесей, использующие специальные методы ректификации. Сформулированы цель и задачи работы, указаны
ее прикладное значение и исходные данные для дальнейших исследований.
Вторая глава содержит описание методик лабораторных исследований и
вычислительных экспериментов для решения прикладных и исследовательских задач работы, включающих качественный и количественный анализ состава БСТ и ее производных на основе газовой хроматографии, очистку веществ, изучение равновесия жидкость-пар и жидкость-жидкость, вычислительный и натурный эксперимент по ректификации. Представлены и обсуждены свойства индивидуальных компонентов разделяемой смеси.
В третьей главе представлены результаты экспериментального изучения
равновесия жидкость-пар (ПЖР) и математического описания ПЖР бинарных
составляющих базовой смеси с помощью уравнений Вильсона, NRTL и групповой модели UNIFAC. Для системы этанол-вода-толуол-хлорбензол изучена
растворимость жидкость-жидкость, полученные равновесные данные спрогнозированы с помощью уравнения NRTL. Приведены данные ректификационного анализа БСТ.
Математическая обработка экспериментальных и полученных другими
авторами данных по ПЖР осуществлялась с использованием уравнения Вильсона, применяемого для описания гомогенных смесей, в программной реализации НИИ НЕФТЕХИМ г. Уфа:
12
21
ln γ1=-ln [x1+(1-x1)∙λ12]+(1-x1) ,
x
(1
x
)
x
(1
x
)
1
1
21
1 1 12
12
21
ln γ2=-ln [(1-x1)+x1∙λ21]-x1 x
(1
x
)
x
(1
x
)
1
1
21
1 1 12
6
,
где γ1, γ2 – коэффициенты активности; х1 – мольная доля низкокипящего компонента в жидкой фазе; λ12, λ21 – параметры Вильсона бинарного взаимодействия.
Ввиду неполных данных (состав жидкой фазы Х – температура Т – давление Р) использовали функции минимизации вида:
∞
Ф1=
( Тэкип – Тркип)
,
n=1
∞
э
р
э
Ф2=
[(
Т
–
Т
)
/
Т
]
,
кип
кип
кип
n=1
где Тэкип, Тркип – экспериментальные и расчетные температуры кипения смеси, С; n – количество точек.
Параметры бинарного взаимодействия определяли в предположении
идеальности паровой фазы. Зависимость упругости пара индивидуальных веществ от температуры кипения моделировалась уравнением Антуана, константы которого определены путем аппроксимации справочных данных:
lg ( P0 ) = A - B / ( C + T ) ,
где А, В, С – параметры уравнения Антуана; Р0 - давление, мм рт. ст.; Т – температура, С.
Для математического описания ПЖР в справочной литературе были найдены критические параметры. Критическую температуру Тс для хлорбензола,
данные для которого отсутствуют в литературе, определяли по методу Лидерсена из выражения:
θ = Тb/Тс ,
где Tb, Tс – соответственно нормальная и критическая температуры кипения,
К; θ – вспомогательный параметр. θ находили из следующего уравнения:
θ = 0,567 + ΣΔТ - (ΣΔТ)2,
где ΣΔТ – параметр, определяемый суммированием коэффициентов температуры, соответствующих составляющим вещество активным молекулярным группам.
Критическое давление Рс хлорбензола определяли по методу Риделя, который представляет собой простую и довольно точную зависимость критического давления от строения молекул:
Рс = М/(ΣΔР + 0,34)2,
где ΣΔР – параметр, который определяется аналогично ΣΔТ суммированием
коэффициентов давлений; Рс – критическое давление, атм.; М – молекулярная
масса.
Фактор ацентричности ω был предложен Питцером в качестве коррелирующего параметра, характеризующего ассиметрию (ацентричность) молекулы. Нами был использован метод Эдмистера:
ω + 1 = 3/7 [θ/(1-θ)] lgРс .
Мольный объем для хлорбензола определяли по аддитивному методу
Шредера.
Параметры бинарного взаимодействия 12 и 21, средние Тср и максимальные Тмакс абсолютные отклонения по температуре кипения для всех
двухкомпонентных систем исходной смеси представлены в таблице. Средняя
абсолютная погрешность по температурам кипения составила от 0,01 С до
0,15 С, максимальная не превысила 0,80 С, что в диапазоне температур кипе7
ния компонентов изучаемой системы является допустимым. Исходя из этого,
параметры Вильсона признаны надежными и были использованы для параметрической оптимизация режимов ректификационного разделения смеси БСТ и
ее составляющих.
В ходе ректификации на одной из стадий предполагается осуществить
отгонку смеси этанол-вода-толуол-хлорбензол. Поскольку по литературным
данным тройные азеотропы, этанол-вода-хлорбензол и этанол-вода-толуол,
являются гетерогенными, то экспериментально изучено равновесие жидкостьжидкость в исходной системе, где толуол-хлорбензол приняты в качестве одного из компонентов (при их постоянном соотношении). По полученным данным была построена диаграмма расслаивания, представленная на рисунке 1.
Математическое описание равновесия в данной системе проводили с использованием уравнения NRTL, применяемого для гетерогенных смесей:
lnγ1=x22[τ21(G21/x1+G21)2+τ12G12/(x2+x1G12)2]
,
lnγ2=x12[τ12(G12/x2+x1 G12)2+τ21G21/(x1+x2G21)2]
,
τ12=Δg12/RT, τ21=Δg21/RT, lnG12= - α12τ12, lnG21= -α12τ21 ,
где х1, х2 – мольные доли компонентов в жидкости; α12 – константа, принимаемая за характеристику данной смеси; g12, g21 – энергии Гиббса чистых веществ;
G12,G21 – избыточные энергии Гиббса чистых веществ; τ12,τ21 – параметры
уравнения NRTL, представленные в таблице.
Таблица – Параметры уравнений Вильсона и NRTL
Параметры уравнения
НаименоваВильсона
NRTL
ние системы
τ12
τ21
12
21
Этанол 0,2638
0,3833
0,8946 -0,4510
Толуол
Толуол 0,4536
1,5070
0,6048 -0,2865
Хлорбензол*
Этанол 1,5860
0,5352
0,7325 -0,5673
Бутанол
Бутанол 0,4149
0,7121
-0,3638 0,6082
Хлорбензол
Этанол 0,4012
0,3086
-0,2767 0,5005
Хлорбензол
Толуол 0,8187
0,3047
0,7330 -0,5498
Бутанол
Этанол 0,1856
0,8605
2,4730
4,9740
Вода
Бутанол 0,0111
0,6159
6,7930
2,9340
Вода
Толуол 0,2316∙10-4
0,803∙10-5
3,8640
4,0340
Вода
Хлорбензол 0,2278∙10-4
0,3600∙10-5
4,1360
3,4880
Вода
* – собственные экспериментальные данные
8
Тср,
С
Тмакс,
С
0,03
0,30
0,03
0,20
0,02
0,10
0,04
0,05
0,13
0,25
0,02
0,04
0,03
0,06
0,04
0,30
0,04
0,10
0,03
0,20
Средняя абсолютная погрешность в составах водного и органического
слоев при заданной температуре составила от 3,2 % до 5,6 % (масс.), максимальная не превысила 9,0 масс. %, что в диапазоне составов слоев исследуемой смеси является допустимым. Исходя из этого, параметры NRTL признаны
надежными и были использованы для параметрической оптимизация режимов
ректификационного разделения смеси БСТ и ее составляющих с учетом гетерогенности разделяемых веществ. Таким образом, при определенном соотношении компонентов в системе этанол-(толуол, хлорбензол)-вода возможно
осуществить расслаивание на водный слой, состоящий из этанола и воды, и
органический, представляющий собой толуол и хлорбензол.
В четвертой главе проведен термодинамико-топологический анализ
(ТТА) структуры фазовой диаграммы жидкость-пар бутанольно-толуольной
смеси, на основе которой рассмотрена возможность разделения исходной смеси на индивидуальные компоненты с точки зрения термодинамики, выявлены
ограничения, которые связаны с наличием в изучаемой многокомпонентной
смеси ряда бинарных и тройных азеотропов.
Состав смеси БСТ формируют пять основных компонентов: этанол, вода,
толуол, бутанол и хлорбензол. Многомерность концентрационного симплекса,
представляющего собой пентатоп, не позволяет строго зафиксировать положение фигуративной точки состава исходной смеси. Это возможно сделать понижением размерности симплекса, рассмотрев, входящий в состав пентатопа
один из тетраэдров, например, этанол-вода-толуол-бутанол (рисунок 2). В указанной системе имеются десять особых точек: четыре вершины, соответствующие чистым компонентам, пять бинарных и два тройных азеотропа.
Такое сочетание особых точек приводит к образованию трех областей
дистилляции и двенадцати областей ректификации. Точка исходного состава F0 принадлежит к области ректификации Аz123Аz12Аz244, в которой может
быть реализована следующая последовательность разгонки смеси на индивидуальные компоненты.
По первому заданному разделению в дистиллят D1 выделяется целевой
компонент – Аz123. При этом в качестве кубового продукта W1 получаем смесь
124. Второе заданное разделение смеси F0 позволяет отделить 4 (бутанол) в
куб W2, в дистилляте D2 будет находиться смесь 123. Аналогично можно рассмотреть и другие составляющие тетраэдры пятикомпонентной смеси. Таким
образом, чередуя первое и второе заданные разделения, и учитывая гетерогенность тройных составляющих изучаемой смеси, могут быть выделены в качестве продуктов необходимые компоненты, что и отражено в потоковых графах
разделения БСТ (рисунок 3), которые использованы для синтеза принципиальной технологической схемы разделения (ПТСР) изучаемой смеси. Из них с
учетом технологических условий, термодинамических и экологических ограничений предложены два альтернативных варианта, отличающихся по экологическим показателям, количеству разделительных элементов и организации
процесса разделения во времени.
9
– экспериментальные данные,
– смоделированные данные
Рисунок 1 – Диаграмма расслаивания системы этанол-(толуол,
хлорбензол)-вода
Az – азеотроп, 1 – этанол, 2 – вода,
3 – толуол, 4 – бутанол
Рисунок 2 – Фазовая диаграмма
смеси этанол-вода-толуол-бутанол (в
скобках указана температура кипения азеотропов и чистых веществ)
– ректификация (первое заданное разделение),
– ректификация
(второе заданное разделение),
– расслаивание, Az – азеотроп, 1 – этанол,
2 – вода, 3 – толуол, 4 – бутанол, 5 – хлорбензол
Рисунок 3 – Потоковые графы возможных вариантов разделения БСТ
В варианте 1 (рисунок 4 а) предлагается разделение исходной смеси на
комплексе колонн периодического действия. На первой колонне при атмосферном давлении реализуется первое заданное разделение, в дистиллят выделяется тройной азеотроп ЭС-В-Т. В кубовом продукте будет содержаться
смесь ЭС-В-БС-Хб. Дистиллят далее направляется в первый расслаиватель, где
происходит разделение на два слоя: органический (толуол), который возвращается в производство, и нижний – водно-этанольный.
10
Кубовый остаток первой колонны далее направляется на вторую колонну, где в присутствии азеотропной добавки – бензола в дистиллят выделяется
смесь ЭС-В-Б. Кубовый продукт представляет собой смесь компонентов
БС-Хб-Б, которая после накопления за 10 разгонок направляется на третью
колонну. Здесь при остаточном давлении 100 мм рт. ст. последовательно выделяются остатки бензола и азеотроп БС-Хб с преобладанием в составе хлорбензола. В кубе остается бутанол, который возвращается в основной технологический цикл.
Образующийся азеотроп БС-Хб далее разделяется на четвертой колонне,
где при атмосферном давлении в дистиллят отгоняется азеотроп БС-Хб с преобладанием в составе бутанола. В кубе остается чистый хлорбензол, используемый в производстве эмалей. А дистиллят возвращается в третью колонну.
Разделение тройной смеси бензол-этанол-вода, выделенной в дистилляте второй колонны, усложнено, поскольку данная фракция обогащена этанолом,
который является гомогенизатором. Однако снижение давления позволяет
увеличить разность в температурах кипения азеотропов и сместить состав
тройного азеотропа ЭС-В-Б в сторону увеличения в нем бензола. Это разделение осуществляется на третьей колонне, работающей под вакуумом
(100 мм рт. ст.). В дистиллят отгоняется гетерогенный азеотроп ЭС-В-Б, который затем расслаивается на бензол и водно-этанольный слой. Выделяемый
бензол возвращается на стадию отгонки этанола и воды. Кубовый остаток
представляет собой спирт-ректификат, который используется на технологические нужды предприятия. Водные слои из расслаивателей совместно направляются на четвертую колонну для отделения избыточного количества воды в
качестве кубового продукта. Эта вода частично расходуется в первом фазоразделителе, а частично сбрасывается на биологические очистные сооружения
(БОС) предприятия. Дистиллят в данном случае представляет собой спиртректификат, который используется на технологические нужды.
В варианте 2 (рисунок 4 б) разделение смеси осуществляется на комплексе колонн непрерывного и периодического действия и базируется на тех
же закономерностях, что и в варианте 1, с учетом разделения БСТ на первой
колонне не периодического, а непрерывного действия. Кубовый остаток при
этом, представляющий собой смесь ЭС-БС-В-Хб, далее направляется на вторую непрерывную колонну, где происходит выделение в кубе чистого бутанола, возвращаемого в производство кремнийорганических эмалей.
Дистиллят в виде смеси ЭС-В-Хб в присутствии азеотропной добавки –
бензола далее разделяется в третьей колонне непрерывного действия. В качестве кубового продукта остается смесь ЭС-Хб, которую затем после предварительного накопления в течение 48 часов, направляют в четвертую колонну
периодического действия для получения чистых веществ этилового спирта
(дистиллят), используемого на технологические нужды предприятия, и хлорбензола в кубе, возвращаемого в основной производственный процесс. Дистиллят третьей колонны, представляющий собой смесь ЭС-В-Б, накапливают в
течение 12 часов и разделяют на четвертой колонне периодического действия
под давлением 50 мм рт. ст. аналогично варианту 1.
11
Б
Az ЭС-Т-В
Б-ЭС-В
В
7
8
8
пр-во
ЭС-В
Б
1
6
3
8
Az БС-Хб
8
Б
Б-БС-Хб
8
4
1
8
спиртректификат
2
Az БС-Хб
Б
2
2
1
ЭС-В-БС-Хб
7
1
1
Б-БС-Хб
Az Э-В
ЭС-В
2
2
2
Б
1
Б-ЭС-В
6
БСТ
Az Б-ЭС-В
2
Б
Т
2
1
БС
пр-во
Az Э-В
Хб
спиртректификат
7
7
В
7
ЭС-В
В
7
пр-во
на БОС
Az БС-Хб
а)
Az ЭС-Т-В
В
Т
Т
7
В
пр-во
2
6
ЭС-В
ЭС
ЭС-В
7
Az ЭС-Т-В
Б
ЭС-В-Б
ЭС-В-Хб
Az ЭС-В-Б
1
абс.
ЭС-В спирт
Б
Б
8
8
7
6
ЭС-В-Хб
ЭС-В-БС-Хб
1
2
7
ЭС-Хб
БС
пр-во
спиртректификат
5
1
ЭС-В
8
3
БС
ЭС-В-БС-Хб
ЭС-В-Б
4
ЭС-Хб
БСТ
ЭС-В
ЭС-В
Б
8
ЭС-В
ЭС-Хб
2
1
В
8
В
Хб
2
7
Хб
пр-во
б)
1-5 – ректификационные колонны, 6 – расслаиватель, 7, 8 – сборники
соответственно конечных и промежуточных продуктов, ЭС – этанол, В – вода,
Т – толуол, БС – бутанол, Хб – хлорбензол, Б – бензол, а – разделение по варианту 1, б – разделение по варианту 2
Рисунок 4 – Принципиальные технологические схемы разделения
смеси БСТ
В пятой главе в вычислительном эксперименте проводилась параметрическая оптимизация технологических комплексов для всех ректификационных
колонн по одному и тому же алгоритму с использованием сертифицированной
12
Количество азеотропа ЭС-Т-В в дистиллате, кг
программы, предоставленной НИФХИ им. Л.Я. Карпова (г. Москва), которая
многократно апробирована различными научными школами, в том числе школой кафедры химической техники и инженерной экологии. На первом этапе
определялись граничные значения варьируемых величин и соответствующие
им продуктовые множества. Затем проводили поиск диапазонов рабочих параметров, обеспечивающих получение кондиционных продуктов в области,
ограниченной их предельными значениями, при минимуме энергозатрат.
При изучении закономерностей процесса ректификации, количественные
и качественные потоки определялись, исходя из количества образующейся
бутанольно-толуольной смеси (200 кг/ч или 1460 т/год) и ее состава (масс. %):
этанол – 72,4, вода – 6,6, толуол – 6,8, бутанол – 9,7, хлорбензол – 4,5.
Оптимизацию параметров режима работы, например, первой периодической колонны в варианте 1 проводили при следующих требованиях к качеству
дистиллята: максимальное содержание толуола, состав, близкий к азеотропному, отсутствие бутанола и хлорбензола. Расчет проводился при различных
диаметрах колонны (200, 300 и 400 мм), числе теоретических тарелок (т.т.) (10,
20 и 30) и флегмовых числах (от 2 до 35). Количество исходной смеси на одну
загрузку составляло 1000 кг.
С учетом технологических ограничений целесообразно использовать колонну диаметром 400 мм эффективностью 30 т.т. Из анализа графических зависимостей (рисунок 5) можно сделать вывод, что получить продукты заданного качества (смесь ЭС-Т-В состава, близкого к азеотропному) при минимальных энергозатратах возможно при R, равном 25, время ректификации составит 10 часов. Аналогичным образом были оптимизированы режимы работы
пяти колонн периодиче350
ского действия и трех
непрерывного.
300
Анализ материальR=2
250
ных
балансов и укрупR=3
R=8
ненной
оценки технико200
R=10
экономических показатеR=15
150
лей разделения БСТ по
R=20
вариантам 1 и 2 показал,
R=25
100
R=30
что реализация обеих
R=35
технологических
схем
50
позволит получить за счет
0
исключения стадии сжи2
3
4
5
6
7
8
9
10 11
12
13 14 Время работы, ч
гания предотвращенный
экологический
ущерб
около 500 тыс. руб./год, а
- зона кондиции
также выделить сопостаРисунок 5 – Зависимость содержания
вимые количества ранее
азеотропа ЭС-Т-В в дистилляте от флегмового
сжигаемого
побочного
числа и эффективности первой колонны
продукта
–
спиртапериодического действия при разделении
ректификата.
смеси БСТ
13
Однако по варианту 2 в качестве вторичных ресурсов из бутанольнотолуольной смеси помимо равных количеств толуола, можно выделить в 2 раза
больше хлорбензола и в 4,5 раза – бутанола, что позволит снизить на 94 % количество отходов при производстве КОЭ и на 40 % расходные сырьевые коэффициенты. Поэтому более перспективным для реализации по техникоэкономическим показателям с учетом возможности использования выделенных компонентов в качестве вторичного сырья является вариант 2.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
1. Созданы две принципиальные технологические схемы ректификационного разделения бутанольно-толуольной смеси, из которых на основе укрупненной оценки эколого-экономических показателей выбрана схема по варианту 2 с использованием комплекса колонн непрерывного и периодического
действия, которая позволит выделить дополнительное количество (в год): толуола – 102 т, хлорбензола – 66 т, бутанола – 139 т и этанола – 1018 т.
2. Разработана методика хроматографического анализа БСТ на хроматографе «Хромос ГХ-1000» с температурным программированием от 70 0С до
1300С. В качестве жидкой фазы выбран FFAP, нанесенный на CHROMANON
N-AW, и Separon.
3. Впервые получены экспериментальные данные по равновесию жидкость-пар в системах толуол-хлорбензол, этанол-бутанол-толуол, этанолтолуол-хлорбензол, и по равновесию жидкость-жидкость в системе этанолтолуол-хлорбензол-вода, которые являются справочными данными; для десяти
систем парожидкостное равновесие спрогнозировано с помощью уравнения
UNIFAC.
4. Математически описаны экспериментальные и литературные данные
по равновесию жидкость-пар и жидкость-жидкость в составляющих исходной
смеси соответственно уравнениями Вильсона и NRTL. Подтверждена адекватность воспроизведения моделью фазового равновесия жидкость-пар и жидкость-жидкость в изучаемых системах. Полученная математическая модель в
виде параметров бинарного взаимодействия в дальнейшем использована при
оптимизации режимов работы ректификационных колонн при разделении смеси БСТ и ее составляющих.
5. Выполнен термодинамико-топологический анализ исследуемой пятикомпонентной смеси, на его основе синтезированы потоковые графы всех возможных путей разделения БСТ, из которых выбраны две принципиальные
технологические схемы, отличающиеся набором элементов и организацией
процесса во времени.
6. Осуществлен выбор азеотропного агента (бензола) для разделения
смесей этанол-вода-хлорбензол и этанол-вода-бутанол-хлорбензол, что позволит через ряд промежуточных фракций выделить чистые компоненты путем
первоначального отделения этанола и воды в составе тройного азеотропа с
бензолом.
7. Оптимизированы режимы работы разделительных элементов в обоих
предложенных вариантах разделения бутанольно-толуольной смеси. С учетом
14
технологических ограничений использованы колонны непрерывного действия
диаметром 800 мм с числом теретических тарелок 10 и 30, а также периодического действия диаметром 400 мм эффективностью 30 теоретических тарелок.
Оптимальные рабочие значения флегмовых чисел в зависимости от качества
выделяемых продуктов при минимуме энергозатрат составили от 1 до 30.
ОСНОВНЫЕ ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ
ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. Клейменова, М.Н. Изучение парожидкостного равновесия в бинарных
системах при разработке малоотходной технологии производства эмалей
[Текст] / М.Н. Клейменова, Ю.С. Лазуткина, Л.Ф. Комарова // Наука. Технологии. Инновации (НТИ-2006): материалы Всероссийской научной конференции
молодых ученых. – Новосибирск: НГТУ, 2006. – С. 287-289.
2. Клейменова, М.Н. Исследования по созданию экологически безопасной технологии разделения смеси растворителей в производстве эмалей
[Текст] / М.Н. Клейменова, Ю.С. Лазуткина, Л.Ф.Комарова // Известия Самарского научного центра РАН. Специальный выпуск: «Безопасность. Технологии. Управление». – 2007. – Т. 1. – С. 53-56.
3. Клейменова, М.Н. Решение вопросов ресурсосбережения на химических предприятиях Алтайского края [Текст] / М.Н. Клейменова, Ю.С. Лазуткина, Л.Ф. Комарова // VII Межрегиональная научно-практическая конференция студентов и аспирантов: доклады конференции. – Новокузнецк, 2007. –
С. 26-30.
4. Клейменова, М.Н. Решение вопросов экологической безопасности в
производстве кремнийорганических эмалей [Текст] / М.Н. Клейменова,
Ю.С. Лазуткина, Т.А. Королева // Проблемы безопасности современного мира
и управления рисками (Безопасность-2007): материалы докладов XII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. –
Иркутск: ИркГТУ, 2007. – С. 30-33.
5. Клейменова, М.Н. Разработка способа разделения хлорсодержащих
жидких отходов [Текст] / М.Н. Клейменова, Ю.С. Лазуткина, Л.Ф. Комарова //
Студент и научно-технический прогресс: Глобальные проблемы и принципы
устойчивого развития: материалы XLV МНСК. – Новосибирск: НГУ, 2007. –
С. 110-112.
6. Клейменова, М.Н. Моделирование процесса ректификации при разработке малоотходных технологий в производствах органического синтеза
[Текст] / М.Н. Клейменова, Ю.С. Лазуткина // Информационные системы и
модели в научных исследованиях, промышленности и экологии: доклады Всероссийской научно-технической конференции. – Тула: ТулГУ, 2007. –
С. 42-43.
7. Клейменова, М.Н. Исследования по созданию малоотходной технологии разделения смеси растворителей в производствах кремнийорганических
продуктов [Текст] / М.Н. Клейменова, Ю.С. Лазуткина, Л.Ф. Комарова,
Т.А. Королева // Молодежь и наука – третье тысячелетие: сборник материалов
Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. I часть. – Красноярск: КРО НС «Интеграция», 2007. – С. 472-476.
8. Клейменова, М.Н. Разработка принципиальных технологических схем
разделения смеси растворителей в производстве лакокрасочных материалов
15
[Текст] / М.Н. Клейменова, Ю.С. Лазуткина, Л.Ф.Комарова, О.М. Горелова //
Ползуновский вестник. – 2008. – № 3. – С. 199-204.
9. Клейменова, М.Н. Изучение парожидкостного равновесия бинарных
составляющих смеси растворителей в производстве эмалей [Текст] /
М.Н. Клейменова // Ломоносов - 2008: материалы докладов XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – М.: МГУ,
Сп. «Мысль», 2008. – С. 687.
10. Клейменова, М.Н. Исследования по созданию малоотходной технологии разделения смеси растворителей в производстве эмалей [Текст] /
М.Н. Клейменова, Ю.С. Лазуткина, Л.Ф.Комарова // Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. – Т.52. – 2009. – № 5. –
С. 90-93.
11. Клейменова, М.Н. Исследования по созданию ресурсосберегающей
технологии в производстве кремнийорганических жидкостей [Текст] /
М.Н. Клейменова, Ю.С. Лазуткина, Л.Ф.Комарова, Е.Н. Окунева // Ползуновский вестник. – 2009. – № 3. – С. 364-368.
12. Кравченко, Н.И. Оптимизация процесса ректификационного разделения смеси растворителей производства кремнийорганических эмалей [Текст] /
Н.И. Кравченко, М.Н. Клейменова, Ю.С. Лазуткина // Наука и молодежь. Секция «Природоохранные технологии»: материалы 6-ой Всероссийской научнотехнической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. – Барнаул: АлтГТУ, 2009. – С. 41-43.
13. Фоминых, Е.П. Ректификационный анализ бутанольно-толуольной
смеси с целью создания ресурсосберегающих технологий в производстве
кремнийорганических эмалей [Текст] / Е.П. Фоминых, А.Н. Балобанова,
М.Н. Клейменова // Экология России и сопредельных территорий: материалы
XV международной экологической студенческой конференции. – Новосибирск: НГУ, 2010. – С. 218.
14. Клейменова, М.Н. Исследования по созданию ресурсосберегающей
технологии в производстве кремнийорганических жидкостей [Текст] /
М.Н. Клейменова,
Л.Ф.Комарова,
О.М.
Горелова,
Ю.С. Лазуткина,
А.Н. Балобанова, Е.П. Фоминых // Ползуновский вестник. – 2011. – № 4-2. –
С. 172-176.
15. Балобанова, А.Н. Исследования по созданию технологии разделения
бутанольно-толуольной смеси в производстве кремнийорганических эмалей [Текст] / А.Н. Балобанова, М.Н. Клейменова, Ю.С. Лазуткина // Химия и
химическая технология в XXI веке: материалы XII Всероссийской научнопрактической конференции студентов и молодых ученых с международным
участием. Том 2. – Томск: ТПУ, 2011. – С. 145-147.
Подписано в печать 12.03.2012 г. Формат 60х84 1/16
Печать – цифровая. Усл. п. л. 1,00.
Тираж 100 экз. Заказ 2012 - 163
Отпечатано в типографии АлтГТУ,
656038, г. Барнаул, пр-т Ленина, 46
тел.: (8-3852) 29-09-48
Лицензия на полиграфическую деятельность
ПЛД №28-35 от 15.07.97 г.
16
Документ
Категория
Технические науки
Просмотров
72
Размер файла
665 Кб
Теги
кандидатская
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа