автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Исследование процесса ректификации с целью создания ресурсосберегающих технологий в производстве кремнийорганических эмалей

005012774

На правах рукописи

и ц !■

Клейменова Марина Николаевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ С ЦЕЛЬЮ СОЗДАНИЯ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ В ПРОИЗВОДСТВЕ КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИХ ЭМАЛЕЙ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

2 9 2012

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 состоится 16 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.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Работа предприятии 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. Новочебок-сарск, 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 бута-нольно-толуольной смеси (БСТ), в состав которой входят этанол, толуол, бу-танол, 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.

Основные задачи:

- создание принципиальных технологических схем разделения (ПТСР) бута-нольно-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 термолинамико-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 «Хромое 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, К'ЯТ!. и групповой модели 1ЖШАС;

-изучена растворимость жидкость-жидкость в системе этанол-вода-толуол-хлорбензол и проведена его математическая обработка уравнением КЯТ1_;

- 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;

- экспериментальные данные по парожидкостному равновесию, рассланванию 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 кремний органических эмалей, а также получить дополнительный продукт - спирт-ректификат.

Апробация работы. Материалы диссертации ежегодно докладывались на научно-практических конференциях АлтГТУ (Барнаул, 2006-2011), Há XII и XV Международных экологических студенческих конференциях «Экология России н 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 «Хромое 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-толуол-хлорбензол;

- 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 Лазутки-

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 крем-нийорганических 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 массо-обменными 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, ЫЯТЬ и групповой модели и№РАС. Для системы этанол-вода-толуол-хлорбензол изучена растворимость жидкость-жидкость, полученные равновесные данные спрогнозированы с помощью уравнения Ы11ТЪ. 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:

1п у,=-1п [х^О-хО^Ы+О-хО 1пу2=-1п [(1-Х|)+Х1-Л21]-Х1

х,+/^2(1-^) х1 -Лц +(1-х,)

где у2 ~ коэффициенты активности; х, - мольная доля низкокипящего компонента в жидкой фазе; ^21 - параметры Вильсона бинарного взаимодействия.

Ввиду неполных данных (состав жидкой фазы X - температура Т - давление Р) использовали функции минимизации вида:

ф ( Т°кип - Тркип) ,

[( Тким ~ ТЛсип) / Т кип] ,

где Т'кип, Тркип - экспериментальные и расчетные температуры кипения смеси, °С; п - 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:

18(Ро) = А-В/(С + Т) , 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 Лидер-сена из выражения:

е = ть/тс,

где Ть, Тс - соответственно нормальная и критическая температуры кипения, К; 0 - вспомогательный параметр. 0 находили из следующего уравнения:

0 = 0,567 + 1Дт-(5:Дт)2, где £ДТ - 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/(ХДР + 0,34)2, где ЕДр - параметр, который определяется аналогично £ДТ суммированием коэффициентов давлений; Рс - критическое давление, атм.; М - молекулярная масса.

Фактор ацентричности со был предложен Питцером в качестве коррелирующего параметра, характеризующего ассиметрию (ацентричность) молекулы. Нами был использован метод Эдмистера: со + 1 = 3/7 [0/(1-0)] 1ёРс .

Мольный объем для хлорбензола определяли по аддитивному методу Шредера.

Параметры бинарного взаимодействия и Х2\, средние ДТср и максимальные ДТмакс 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 кипе-

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 жидкость-жидкость 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: (1пу,=х22[тг1(С21/х1+а21)2+т12С12/(х2+х1С12)2] ^1пУ2=х12[т,2(0,:/х2+х, 012)2+т21С21/(х,+х2021)2] 1312=Л§12/КТ, т21^21/11Т, 1пС12= - а12т12,1п021= -а12т21 , где хь х2 - мольные доли компонентов в жидкости; а12 - константа, принимаемая за характеристику данной смеси; §12, - энергии Гиббса чистых веществ; С|2,С21- избыточные энергии Гиббса чистых веществ; т12,т21 - параметры уравнения N1111., представленные в таблице.

Таблица - Параметры уравнений Вильсона и КЯТЬ

Наименование системы Параметры уравнения АТср, °С ДТмакс? °с

Вильсона NR.IL

^•12 ^•21 Т12 Т21

Этанол -Толуол 0,2638 0,3833 0,8946 -0,4510 0,03 0,30

Толуол -Хлорбензол* 0,4536 1,5070 0,6048 -0,2865 0,03 0,20

Этанол -Буганол 1,5860 0,5352 0,7325 -0,5673 0,02 0,10

Бутанол -Хлорбензол 0,4149 0,7121 -0,3638 0,6082 0,04 0,05

Этанол -Хлорбензол 0,4012 0,3086 -0,2767 0,5005 0,13 0,25

Толуол -Бутанол 0,8187 0,3047 0,7330 -0,5498 0,02 0,04

Этанол -Вода 0,1856 0,8605 2,4730 4,9740 0,03 0,06

Бутанол -Вода 0,0111 0,6159 6,7930 2,9340 0,04 0,30

Толуол -Вода 0,2316-Ю"4 0,803-10"5 3,8640 4,0340 0,04 0,10

Хлорбензол -Вода 0,2278-10"1 0,3600-10"5 4,1360 3,4880 0,03 0,20

* - собственные экспериментальные данные

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 ЫЯТЬ 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 жндкость-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 Р0 принадлежит к области ректификации в которой может быть реализована следующая последовательность разгонки смеси на индивидуальные компоненты.

По первому заданному разделению в дистиллят Б! выделяется целевой компонент - Аг123. При этом в качестве кубового продукта получаем смесь 124. Второе заданное разделение смеси Р0 позволяет отделить 4 (бутанол) в куб в дистилляте 1)2 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.

АггМи\

2<тв'и

фшуо

*Зто.бЪ

Ьвл V

--экспериментальные данные, Аг - азеотроп, 1 - этанол, 2 - вода, 3

— — ■ - смоделированные данные - толуол, 4 - бутанол

Рисунок 1 - Диаграмма рас- Рисунок 2 - Фазовая диаграмма

слаивания системы этанол-(толуол, смеси этанол-вода-толуол-бутанол (в хлорбензол)-вода скобках указана температура кипе-

ния азеотропов и чистых веществ)

и»

---------/-1 I < 1

. ■ —— 11 1 1

Ж"' 'ч *

> - ректификация (первое заданное разделение),■■■>- - ректификация (второе заданное разделение), — >- - расслаивание, кг - 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.

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 (ЮОммрт. 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 фазораз-делителе, а частично сбрасывается на биологические очистные сооружения (БОС) предприятия. Дистиллят в данном случае представляет собой спирт-ректификат, 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.

а)

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 1,6- 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

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 периодического действия и трех непрерывного.

Анализ материальных балансов и укрупненной оценки технико-экономических показателей разделения БСТ по вариантам 1 и 2 показал, что реализация обеих технологических схем позволит получить за счет исключения стадии сжигания предотвращенный экологический ущерб около 500 тыс. руб./год, а также выделить сопоставимые количества ранее сжигаемого побочного продукта - ■ спирта-ректификата.

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Время работы, ч

- зона кондиции Рисунок 5 - Зависимость содержания азеотропа ЭС-Т-В в дистилляте от флегмового числа и эффективности первой колонны периодического действия при разделении смеси БСТ

Однако по варианту 2 в качестве вторичных ресурсов из бутанольно-толуольной 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 технико-экономическим 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 «Хромое ГХ-1000» с температурным программированием от 70°С до 130(С. В качестве жидкой фазы выбран БРАР, нанесенный на СПКОМАКОК Ы-АХУ, и 8ерагоп.

3. Впервые получены экспериментальные данные по равновесию жидкость-пар в системах толуол-хлорбензол, этанол-бутанол-толуол, этанол-толуол-хлорбензол, и по равновесию жидкость-жидкость в системе этанол-толуол-хлорбензол-вода, которые являются справочными данными; для десяти систем парожидкостное равновесие спрогнозировано с помощью уравнения ШШАС.

4. Математически описаны экспериментальные и литературные данные по равновесию жидкость-пар и жидкость-жидкость в составляющих исходной смеси соответственно уравнениями Вильсона и КГПЪ. 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 пяти-компонентной 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

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 ХЬУ 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

[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, Си. «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.

П.Клейменова, М.Н. Исследования по созданию ресурсосберегающей технологии в производстве кремнийорганических жидкостей [Текст] / М.Н. Клейменова, Ю.С. Лазуткина, Л.Ф.Комарова, E.H. 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 научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Барнаул: АлтГТУ, 2009. - С. 41-43.

13. Фоминых, Е.П. Ректификационный анализ буганольно-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. алобанова, Е.П. Фоминых // Ползуновский вестник. - 2011. - № 4-2. -С. 172-176.

15. Балобанова, А.Н. Исследования по созданию технологии разделения буганольно-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 научно-практической конференции студентов и молодых ученых с международным участием. Том 2.-Томск: ТПУ, 2011.-С. 145-147.

Подписано в печать 12.03.2012 г. Формат 60x84 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.

61 12-5/2648

Федеральное государственное оюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова»

На правах рукописи

1

Клейменова Марина Николаевна

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ С ЦЕЛЬЮ СОЗДАНИЯ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЙ В ПРОИЗВОДСТВЕ КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИХ ЭМАЛЕЙ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Л.Ф. Комарова

Барнаул - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

с.

Введение....................................................................................................................................................................5

1 Вопросы ресурсосбережения в производстве кремнийорганических эмалей........................................................................................................................................................................8

1.1 Общие сведения о кремнийорганических эмалях и методах регенерации и утилизации растворителей................................................................................8

1.1.1 Свойства кремнийорганических эмалей и область их применения... 8

1.1.2 Производство эмалей марок КО-174, КО-1163, КО-1164..............................8

1.2 Способы регенерации и утилизации органических растворителей... 12

1.2.1 Способы регенерации и рекуперации органических растворителей..........................................................................................12

1.2.2 Утилизация органических растворителей.....................................................16

1.3 Теоретические основы разработки технологических схем разделения промышленных смесей ректификацией....................................................................................19

1.3.1 Применение ректификации для разделения сложных жидких смесей............................................................................................................................................................................19

1.3.2 Разработка ресурсосберегающих технологических схем ректификации многокомпонентных смесей..............................................................................22

1.3.3 Разделение азеотропных и близкокипящих смесей при синтезе технологических схем разделения...................................................................28

1.4 Цели и задачи работы........................................................................................................................33

2 Методика анализа и эксперимента.............................................................................35

2.1 Очистка исходных веществ............................................................................................................35

2.2 Хроматографический анализ исходной смеси................................................................38

2.3 Определение содержания воды методом Фишера................................................42

2.4 Исследование фазовых равновесий........................................................................................42

2.4.1 Изучение парожидкостного равновесия........................................................................42

2.4.2 Исследование растворимости и фазового равновесия жидкость-жидкость................................................................................................................................................................44

2.5 Вычислительный эксперимент по ректификации......................................................45

3 Экспериментальная часть......................................................................................................................46

3.1 Экспериментальное изучение равновесия жидкость-пар....................................48

3.2 Математическое описание ПЖР................................................................................................49

3.3 Прогнозирование ПЖР при помощи групповой модели иМБАС..............54

3.4 Экспериментальное изучение равновесия жидкость-жидкость......................56

3.5 Математическое описание равновесия жидкость-жидкость..............................57

3.6 Ректификационный анализ бутанольно-толуольной смеси (БСТ)..............59

3.7 Выводы по главе...............................................................................................................61

4 Термодинамико-топологический анализ структуры фазовой диаграммы БСТ и синтез принципиальных технологических схем разделения....................64

4.1 Термодинамико-топологический анализ.................................................................64

4.2 Синтез альтернативных вариантов принципиальных технологических схем разделения БСТ......................................................................................................................................70

4.3 Поиск разделяющего агента......................................................................................................74

4.4 Выводы по главе........................................................................................................................................79

5 Оптимизация режимов работы альтернативных схем разделения..............81

5.1 Основные положения оптимизации...................................................................................81

5.2 Оптимизация параметров разделения БСТ по варианту 1..............................83

5.3 Оптимизация параметров разделения БСТ по варианту 2..............................95

5.4 Сравнение вариантов разделения бутанольно-толуольной смеси по эколого-экономическим показателям....................................................................................104

5.5 Выводы по главе....................................................................................................................................104

Основные результаты работы ......................................................................................................106

Список использованных источников..............................................................................................108

Приложения........................................................................................................................................................124

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

БСТ - бутанольно-толуольная смесь;

ЭС, 1 - этанол;

В, 2 - вода;

Т, 3 - толуол;

БС, 4 - бутанол;

Хб, 5 - хлорбензол;

Б - бензол;

РА - разделяющий агент;

ПЖР - парожидкостное равновесие;

ТТА - термодинамико-топологический анализ;

Бо - расход разделяемой смеси, кг/ч;

М - мольная масса, кг/кмоль;

О - расход дистиллятного продукта, кг/ч;

- расход кубового продукта, кг/ч;

N - общая эффективность колонны ( количество теоретических тарелок);

- тарелка ввода базовой смеси; Я - флегмовое число;

Т - температура, °С; Р - давление, мм рт. ст.; с1к - диаметр колонны, мм; т - время отбора фракции, ч.

ВВЕДЕНИЕ

Работа предприятий химической отрасли отличается большим разнообразием выпускаемой продукции и значительной токсичностью компонентов, используемых в основном производственном цикле, а также образующихся в качестве побочных продуктов реакции. Именно с ними возникают основные проблемы, связанные с необходимостью их обезвреживания или утилизации, которую 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) на ОАО «Алтайхимпром» им. Г.И. Верещагина в г. Яровое Алтайского края, где расположена грязелечебница российского масштаба. Чтобы сохранить благоприятную экологическую обстановку в месте бальнеологического курорта и края в целом, на предприятии необходимо внедрять малоотходные ресурсосберегающие технологии, которые позволят 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 заключается в разработке технологических схем ректификационного разделения жидких отходов растворителей, образующихся в производстве кремнийорганических эмалей, для их дальнейшего использования в качестве вторичного сырья. Объектом исследования является производство кремнийорганических эмалей, а предметом - процесс ректификационного разделения бутанольно-толуольной смеси.

Научная новизна работы состоит в следующем: впервые предложены

и -1

на основе простои 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; впервые получены экспериментальные данные по равновесию жидкость-пар в бинарной и двух тройных подсистемах и проведено их математическое описание с помощью уравнений Вильсона, МЯТЬ и групповой модели 1ЖШАС; изучена растворимость жидкость-жидкость в системе этанол-вода-толуол-хлорбензол и проведена его математическая обработка уравнением №1ТЪ; 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 заключается в том, что на основе простой и азеотропной ректификации созданы ресурсосберегающие технологии

разделения БСТ, которые предлагается реализовать в производствах кремнийорганических эмалей, а также в других отраслях промышленности, где используются компоненты, входящие в состав БСТ и стоит задача их выделения. 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. Кроме того экспериментальные данные по парожидкостному равновесию, расслаиванию и результаты их математического описания рекомендуются для использования при создании технологий ректификационного разделения смесей, включающих аналогичные вещества.

В результате проведенной работы 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 «Хромое ГХ-1000» с температурным программированием; результаты экспериментального исследования равновесия жидкость-пар и жидкость-жидкость с математической обработкой полученных данных; термодинамико-топологический анализ бутанольно-толуольной смеси, синтез принципиальных технологических схем разделения БСТ и оптимизация режимов работы ректификационных колонн по выделению вторичного сырья и дополнительных продуктов.

1 ВОПРОСЫ РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВЕ КРЕМНИЙОРГАНИЧЕСКИХ ЭМАЛЕЙ

1.1 Общие сведения о кремнийорганических эмалях и методах регенерации и утилизации растворителей

1.1.1 Свойства кремнийорганических эмалей и область их применения

Кремнийорганические эмали представляют собой

элементоорганические п-меры. Высокая термостабильность в области высоких и низких температур, сопротивляемость солнечному свету, влаге, атмосферным воздействиям, гидрофобизирующее действие на различные материалы, негорючесть и еще многие уникальные свойства этих веществ делают их исключительно полезными и необходимыми.

В последнее время к элементоорганическим полимерам и, в особенности, к кремнийорганическим, появляется повышенный интерес в связи с ростом требований со стороны различных отраслей промышленности: машино- и аппаратостроения, авиации и ракетной техники, энергетики и кораблестроения. При этом самые высокие требования предъявляются к термической стабильности эмалей [1].

Эмали КО-174, КО-1163 и КО-1164 применяют в строительной технике в качестве атмосферостойких декоративных покрытий изделий из бетона, асбоцемента, а также для отделки наружных и внутренних элементов зданий и сооружений [2].

1.1.2 Производство кремнийорганических эмалей марок КО-174, КО-1163, КО-1164

Метод изготовления эмали КО-174 основан на перетирании в мельницах лака КО-85 с наполнителем - диоксидом титана марки Р-1, Р-02, каолина и органическими или неорганическими пигментами для получения необходимого цвета эмали.

Производство лака КО-85 осуществляют путем смешения раствора полифенилсилоксановой смолы Ф-9К (139-297) в толуоле (ксилоле) с раствором полибутилметакрилатной смолы БМК-5 в ацетоне, бутилацетате, этилацетате, толуоле или ксилоле, согласно рецептуре.

Получение смолы Ф-9К основано на синтезе Гриньяра, для которого используют тройную смесь, состоящую из тетраэтоксисилана, хлорбензола, бромэтила.

Основная реакция идет по схеме:

С6Н5С1 + Мё С6Н5МёС1 _ +134 ккал/моль

С6Н5МёС1 + 81(ОС2Н5)4 С6Н5 81(ОС2Н5)з + С2Н50 МёС1

Синтез инициируется бромэтилом. Температура при «вызове» реакции поднимается до 190°С. Синтез происходит при температуре от 140°С до 165°С и давлении не более 0,07 МПа (0,7 кгс/см2).

Раствор фенилэтоксисиланов в смеси этанола и бутанола подвергается гидролизу в среде соляной кислоты. В процессе гидролиза происходит частичная этерификация фенилэтоксисиланов бутиловым спиртом и частичная конденсация продуктов переэтерификации за счет молекулярного отщепления воды, тепловой эффект реакции 0 ± 5 ккал/моль: пСбН5 81(ОС2Н,)з + тС4Н9ОН + пН20 _пСлН он ^ —Сбн5 81(ОС2Н5)п(ОС4Н9)т(ОН)3 С6Н, СбН5 СбН- сбн5

^ -11-тН о 2

-81-0-81-0-81-0-81-0- ...

ОС2Н, ОС4Н9 ОН О

Поскольку гидролиз ведут в кислой среде, одновременно происходит и разложение образовавшегося при реакции Гриньяра этоксимагнийхлорида:

C6H50MgCl + НС1 —> С2Н5ОН + MgCl2. Гидролиз происходит при температуре от 60°С до 70°С и атмосферном давлении. Из полученного при гидролизе силана отгоняется растворитель

9

БСТ (бутанольно-толуольная смесь), при этом идет поликонденсация продукта по схеме:

СЙН5 СбН5 С'бНз С^Нз

11

- — О — — О — 81—0 — 81 — 0 -

ЭС2Н5 ОС^ ОН О СйНЗ СбН.5

пс2н5он-<п-1)с;4н9он

он.

ОН/

/ °\

о,

\

-Б!

О

-81

81

О

81

О

Ч X О

С'бНз С0Н5

-С4Н9

н

11

Тепловой эффект реакции 0 ± 5 ккал/моль.

Отгонка растворителя ведется при температуре не более 155 °С, давление атмосферное. Получившаяся полифенилсилоксановая смола Ф-9К разбавляется толуолом (ксилолом) и используется для производства лака КО-85 [2]. Принципиальная схема получения смолы Ф-9К приведена на рисунке 1.1 [3, 4].

Метод производства эмалей КО-1163 и КО-1164 основан на перетирании в мельницах бутилацетатного раствора смолы Ф-9К с суховальцованными пастами, модификатором смолой БМК-5 для эмали КО-1163 и кастеролью для эмали КО-1164.

Для получения цветной эмали в мельницу добавляют пигменты соответствующего цвета. Затем эмаль-пасту разбавляют ацетоном [3].

Как видно из приведенных реакций и схемы, на стадии отгонки растворителя образуется смесь продуктов: этанол, вода, бутанол, толуол и хлорбензол, которая получила в промышленности наименование БСТ (бутанольно-толуольная смесь).

Рисунок 1.1— Схема получения кремнийорганической эмали марки КО-174

В рассматриваемом производстве кремнийорганических эмалей КО-174, КО-1163 и КО-1164 ежегодно образуется 1460 т растворителей, подвергаемых термической деструкции, что сопровождается с одной стороны, потерями непрореагировавшего сырья, целевого и побочных компонентов, с другой - вносится дополнительный вклад в загрязнение окружающей среды.

В таблице 1.1 приведен характерный состав БСТ, который принят типовым и используется для дальнейших исследований.

Таблица 1.1- Типовой состав БСТ, принятый для исследований

Компонент Концентрация, масс. %

Этанол (ЭС) 72,4

Бутанол (БС) 9,7

Толуол (Т) 6,8

Хлорбензол (Хб) 4,5.

Вода (В) 6,6

1.2 Способы регенерации и утилизации органических растворителей 1.2.1 Способы регенерация и рекуперация органических растворителей На сегодняшний день актуальной является задача очистки сточных вод, выделения органических примесей из водных растворов и возвращения выделенных компонентов в производственный цикл.

Технология регенерации отработанного растворителя, а также требования к его чистоте зависят от технологического процесса, в котором он использовался, и где будет повторно применяться после выделения. Естественно, характер загрязнений в этих случаях не одинаков, что требует различных аппаратурно-технологических схем и оборудования для проведения регенерации.

Для решения подобных задач используются различные методы разделения жидких смесей, такие как дистилляция, ректификация, экстракция, различные мембранные методы и т.п.

В патенте [5] представлена универсальная установка для очистки ректификацией растворителей, относящихся к основным классам органических растворителей, и способы очистки ректификацией на ней ацет�