автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.04, диссертация на тему:Разработка технологических комплексов специальных методов ректификации для регенерации растворителей

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. СПЕЦИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ РЕКТИФИКАЦИИ С РАЗДЕЛЯЮЩИМ

АГЕНТОМ (АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР)

1.1. Ректификация бинарных и многокомпонентных систем и необходимость специальных методов . •

1.2. Общая характеристика методов ректификации с разделяющим агентом

1.3. Основные закономерности экстрактивной ректификации

I.4* Цели и задачи работы.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ АЗЕ0ТР0ПН0-ЭКСТРАКТИВН0Й

РЕКТИФИКАЦИИ

2.1. Теоретический анализ закономерностей процесса

2.2. Экспериментальное изучение азеотропно-экстрак-тивной осушки растворителей

2.2.1. Выбор объектов исследования . . •

2.2.2. Изучение и математическое описание фазового равновесия изучаемых систем. Прогноз разделений

2.2.3. Эксперименты по азеотропно-экстрактивной осушке.

2.2.4. Обсуждение результатов .«•• юз

ГЛАВА 3. ИССЛВДОВАНИЕ РЕЭКСТРАКТИВНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ . IQg

3.1. Теоретический анализ закономерностей процесса

3.2. Экспериментальное изучение разделения азеот-ропных смесей растворителей с легкокипящим агентом.ИЗ

3.2.1. Выбор объектов исследования. . • из

- 3

3.2.2. Изучение и математическое описание равновесия жидкость-пар

3.2.3. Экспериментаяъно-расчетные исследования процесса

3.2.4. Обсуждение результатов

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ РЕГЕНЕРАЦИИ РАСТВОРИТЕЛЕЙ да ПРОИЗВОДСТВА МАГНИТНЫХ ЛЕНТ.

4.1. Характеристика задачи

4.2. Термодинамико-топологический анализ структуры равновесной диаграммы и синтез альтернативных схем разделения.

4.3. Выбор и проработка перспективного варианта

ВЫВОДЫ.

При разработке новых технологических процессов, при усовершенствовании существующих технологий и, в первую очередь, при создании безотходных технологий возникает задача разработки технологических схем разделения многокомпонентных неидеальных смесей.

В большинстве крупнотоннажных производств эта задача решается преимущественно методами ректификации, к ректификации прежде всего обращаются разработчики и в производствах так называемой "малой химии", т.к. несмотря на большие затраты тепловой энергии процесс ректификации обладает серьезными преимуществами по сравнению с другими методами разделения.

Задача разделения смесей на компоненты методами ректификации оказывается особенно сложной при наличии в смеси компонентов с малыми относительными летучестями и азеотропообразующих компонентов, когда эти азеотропы гомогенны.

Разделение таких смесей обычной ректификацией оказывается невозможным и применяются различные специальные методы ректификации - азеотропная, экстрактивная, солевая ректификация, ректификация под разными давлениями и др.

Применение этих методов связано с необходимостью использования в составе принципиальной технологической схемы специальных подсистем - технологических комплексов, представляющих собой совокупность технологического приема и выполняющих его аппаратов.

Каждому специальному методу разделения соответствует некоторый набор типовых структур технологических комплексов.

Разнообразие технических задач и ситуаций, в которых они должны решаться,ставит исследователей перед необходимостью расширять арсенал специальных методов ректификации и технологических комплексов, что даст технологу большую свободу выбора и обеспечит гибкость решений,

В настоящей работе предпринято изучение двух разновидностей специальных методов ректификации - экстрактивной ректификации с азеотропообразующим разделяющим агентом и ректификации с легко-кипящим разделяющим агентом, 8 целью определить возможности применения этих методов и ограничения как в общем, так и при разработке технологии регенерации растворителей на примере производства магнитных лент на ШПО " Свема".

Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом проблемной лаборатории синтеза органических продуктов МИТХТ им.М.В.Ломоносова по теме "Разработка технологических комплексов разделения неидеальных многокомпонентных смесей производств органического синтеза как элементов САПР технологических процессов" и с Координационным планом АН СССР по проблеме "Теоретические основы химинеской технологии" на I98I-I985 г.г. (задание

2.22.7.7.). забота содержит:

- аналитический обзор, рассматривающий состояние теории и практики специальных методов разделения, преимущественно экстрактивной ректификации и ее разновидностей;

- анализ влияния азеотропов разделяющего агента и компонентов разделяемой смеси на результаты экстрактивной ректификации;

- экспериментальное изучение азеотропо-экстрактивной осушки лег« ких органических растворителей;

- анализ возможностей применения процесса ректификации в присутствии легкокипящего зеотропного агента, симметрично экстрактивной ректификации;

- экспериментально-расчетное исследование разделения азеотропных смесей с легкокипящим агентом;

- технологические исследования по выбору, разработке и проверке принципиальной схемы регенерации растворителей для ШПО "Свема" с использованием предложенных технологических комплексов.

Исследования на всех этапах включают изучение и математическое описание фазового равновесия жидкость-пар, лабораторные эксперименты по непрерывной ректификации и вычислительный эксперимент*

Работа состоит из введения, 4-х глав, выводов, изложейа на 174 стр. машинописного текста, содержит 54 рис., 49 табл. и список использованных источников библ. 85

ВЫВОДЫ

1. С единых позиций рассмотрены основные закономерности специальных методов ректификации с разновысотной подачей разделяемой смеси и разделяющего агента: экстрактивной и реэкстрак-тивной ректификации с зеотропными агентами, азеотропно-экстрактивной и автоэкстрактивной ректификации.

2. Для рассматриваемых процессов установлено соответствие между равновесием жидкость-пар, характеризуемым фазовым портретом дистилляционных линий и ожидаемыми результатами разделения.

3. Предложены принципиальные схемы типовых технологических комплексов азеотропно-экстрактивной и реэкстрактивной ректификации,

4. Экспериментально показана возможность азеотропно-экстрактивной осушки легкокипящих органических растворителей.

5. Экспериментальным и расчетным путем подтверждена возможность разделения азеотропных смесей с положительным азеотропом методом реэкстрактивной ректификации с легкокипящим агентом.

6. В ходе исследований подтверждены основные положения теоретического анализа.

7. Исследовано равновесие жидкость-пар в 10-ти бинарных и 4-х тройных смесях, получено математическое описание фазового равновесия для П-ти бинарных , 6-ти тройных и одной четырехком-понентной смесей.

8. Разработана технологическая схема регенерации растворителей дл# ШПО "СВЕМА" с использованием исследованных в работе комплексов, определены статические параметры режима колонн. Рекомендации для проектирования переданы ГОСНЙИХИМФОТОПРОЕКТ.

- 165

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. Изд. 9-е, испр. -М.: Химия, 1973. 750 с.

2. Циборовский Я. Основы процессов химической технологии. Пер.с польск. Под ред. П.Г.Романкова Л.: Химия, 1967. - 719 с,

3. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Кн.1-2, М.: Химия, 1981. 811 с.

4. Mengsteheck d. J. (Distillation Principles aW (Design Procedures . 1М.У. : lie) Kihold PuklisUinQ Corp.} 1961. 365p.

5. Vcttt Win fele M. T.stillation. К1.У. г Mc G.raw Hill1.c. , 196?. 68A p .

6. Свентославский В. Азеотропия и полиазеотропия. Пер.с англ. под ред.Л.А.Серафимова. М.: Химия, 1968. - 243 с.

7. Well R. , Welch Red) fiecvbicm in i:&mary systems^c.ontA« biv\CLY<j O.X eotyop&s . — Хио(. Clievn.

8. JL Bd. , W , V. 37 , N 1*2. , p. 1224 1231 П.Бушмакин Й.Н., Киш И.Н. Изобарическое равновесие жидкость-пар в тройной системе, имеющей азеотроп типа седловинной точки.-Ж.прикладн.химии, 1957, т.ЗО, № 2, с.200-211.- 166

9. Бушмакин И.Н., Киш И.Н. О разделяющих линиях дистилляции и ректификации тройных систем.- Ж.прикладн.химии, 1957, т.30, Ш 4, с.561-567.

10. Лутугина Н.В., Решетова Л.И., Семенова Л.П. Изотермо-изобары и дистилляционные линии в системе ацетон-хлороформ-вода. -Ж.прикладн.химии,1965, т.38, № 8, с.1974-1801.

11. Маленко Ю.И., Лутугина Н.В. О ходе дистилляционных линий в тетераадре составов четырехкомпонентных смесей.- Вестник ЛГУ, Физика и химия, 1966, № 16, вып.З, с.93-103.

12. Маленко Ю.И., Лутугина Н.В. О расположении изотермо-изобари-ческих поверхностей в четырехкомпонентной системе уксусная кислота этилацетат - метилэтилкетон - н.-гексан. - Ж.прикл. химии, 1966, т.39, № 3, с.634-642.

13. Маленко Ю.И., Лутугина Н.В., Башманова Т.С. О расположении дистилляционных линий в четырехкомпонентной системе уксусная кислота этилацетет - метилэтилкетон - н.-гексан. - Ж.прикл. химии, 1966, т.39, № 12, с.2737-2743.

14. Сторонкин А.В. Об условиях термодинамического равновесия многокомпонентных систем.- Л.: ЛГУ, 1948. 122 с.

15. Сторонкин АЛВ. Термодинамика гетерогенных систем. 4.1,2.Л.: ЛГУ, 1967. 447 с.

16. Haaze Я. Е i^ige aJlcjeme-'me bez'i с haiogen фчлг- Zustayidsр unfit io»ien bei vieJ komporte-v) bengys temen . -— ST. Лloturforsc\n,?9№ t 8- 3a. , S. 285 290

17. Haaie R■ "Zur t ige-v dr<?isio£f дзтisbe. 2. tfodurforscb . , 1949, 8.4a , S- 342.- ъвг.

18. Яалге R. )/eyclavy\p fungsgleic-hgeb/ichte Vcm yneh vs toff -gemisKew : Текплге aneotropevy Pun fete Pbi/s. Chem., 1950, B. 195 , S? 362- 385.- 167

19. Сусарев М.П.Закономерности расположения складок поверхности давления тройной системы жидкость-пар и смещения складок при изменении температуры. Ж.физич.хииии, 1963, т.37, № 8, с.1763-1768, № 9, с.1944—1948.

20. Гурилов Ю.В. Некоторые вопросы структуры диаграмм двухфазного равновесия жидкость-пар тройных гомогенных растворов.

21. Ж.физич.химии, 1958, т.32, № 9, с.1980-1994.

22. Серафимов Л.А. Теоретические принципы построения технологических схем ректификации неидеальных многокомпонентных смесей.- Дисс. . докт. техн.наук.- М.: МИТХТ, 1968. 383 с,

23. Жаров В.Т. Термодинамико-топологичесаое исследование открытых фазовых процессов и нелокальных закономерностей диаграмм фазового равновесия в гетерогенных системах различного типа.-Автореф.дисс. . докт.хим.наук.- Л.: ЛГУ, 1968. 21 с.

24. MatsuyftwiA И. , Nista'iwmVA Н. "Topol 03't еоД fctaermodynamicclass'if ic&.Vicm ternary vapour liquid egui Л\bv'ia.j. Cher*. of , 1977, v. 10, N3, p. JS1 187

25. Серафимов Л.А. Общие закономерности хода К-линий в трехкомпо-нентных системах жидкость-пар. В кн.: Физико-химические основы ректификации. - М.: МИТХТ, 1970, с.20-30.

26. Кива В.Н., Серафимов Л.А. Нелокальные закономерности хода линий процесса простой дистилляции в тройных системах Ж.физ. и химии, 1973, т.47, № 3, с.638-642.

27. Серафимов Л.А. Правило азеотропии и классификация многокомпонентных смесей. УП. Диаграмма трехкомпонентных смесей.- Ж. физич.химии, 1970, 44, к 4, с.1021-1027.

28. Тойкка a.m. Вопросы классификации тройных систем жидкость-пар по характеру и величине отступлений от идеальности составляющих бинарных. Дисс. . канд.хим.наук.- Л.: ЛГУ,1972.-142 с.

29. Серафимов Л.А. Технология разделения азеотропных смесей.-Глава 21 (доп.) в кн. /6/, с.186-224.- 169

30. Крейнина Л.А. Исследование закономерностей ректификации тройной зеотропной смеси с -образным ходом дистилляционных линий.- В кн.: П Всесоюзная конференция молодых ученых по физической химии. Москва, 1983 г., с.252-253.

31. Петлюк Ф.Б., Серафимов Л.А. Многокомпонентная ректификация. Теория и расчет.- М.: Химия, 1983. 304 с.

32. Балашов М.И. Физико-химические основы и технологические принципы организации реакционно-ректификационных процессов.-Дисс.докт.техн.наук. М., МИТХТ, 1980, 384 с.

33. Ханина Е.П., Андреянов U.A., Павленко Т.Г., Тимофеев B.C. Серафимов Л.А. Разделение гомоазеотропных смесей с использованием рециклов по выделяемым компонентам. Теор.основы хим.технол., 1981, т.15, № I, с.116-118.- 170

34. Ханина Е.П., Павленко Т.Г., Тимофеев B.C. Влияние рециклов на работоспособность установок разделения гомо- и гетероазеотропных смесей.- Ж.прикл.химии, 1983, т.56, № 9, с.2039-2043.

35. Тимофеев B.C. Физико-химические основы технологии разделения гетероазеотропных многокомпонентных смесей.- Автореф.дисс. . докт.техн. наук.- М.: МИТХТ, 1974, 29 с.

36. Крель Э.Руководство по лабораторной перегонке. Пер.с нем.под ред. В.М.Олевского.- М.: Химия, 1980, 520 с.

37. Hoff-глосл £ . A-xeotropic л^с! £хНас1 »ve JJ аЪ'ои .

38. New York. Mc G,raw , \964.

39. Молоденко П.Я., Бушмакин И.Н. Выбор разделяющего агента (^водителя) для азеотропной ректификации.- Вестник ЛГУ, 1957,10, вып.2, с.68-92.

40. Коган В.Б. Азеотропная и экстрактивная ректификация. 2-ое изд. перераб.и доп.- Л.: Химия, 1971, 432 с.

41. Решетов С.А., йванецкий И.Б., Платонов В.Н. Выбор экстрагента для разделения некоторых азеотропных смесей,- Ж.прикл.химии, 1983, т.56, № 7, с.1652-1653.

42. Ханина Е.П., Павленко Т.Г., Богатюк Л.А., Тимофеев B.C. Исследование в области автоэкстрактивной ректификации.- Ж.физич. химии, 1978, т.12, № 10, с.2657-2658.

43. Фролкова А.К., Павленко Т.Г., Тимофеев B.C. О некоторых особенностях разделения многокомпонентных смесей автоэкстрактивной- 171 ректификацией,- Нефтепереработка и нефтехимия / ЦНИИНЭНЕФТЕХИМ, 1980, № 7, с.33-35.

44. Ханина Е.П., Павленко Т.Г., Тимофеев B.C. Исследование в области автоэкстрактивной ректификации.- В кн.: Межвузовский сборник. Химия и технология органических производств.- Изд. МИХМ-МИТХТ, М., 1978, т.УШ, вып.2, с.175-177.

45. Кафаров В.В, Основы массопередачи. 3-е изд., перераб.и доп.-М.: Высшая школа, 1979.- 439 с.

46. Большая Советская Энциклопедия, изд. 3-е, т. 18 М.: Советская Энциклопедия, 1974. с.

47. Кива В.Н. Теоретико-множественный подход к анализу качественных закономерностей ректификации.- В кн.: Математические методы в химии.- Материалы 3-ей Всесоюзной конфе.ренции. П.Качественные методы.- М.: ВДЙИТЭНЕФТЕХИМ, 1980, с.10-17.

48. Кива В.Н., Кириченко Г.А. Особенности ректификации с двухпо-точной подачей питания.- В сб.: Нефтехимические процессы в многофазных системах.- М.: ЦНИИТЭНЕФТЕХИМ, 1980, с.108-115.

49. Кириченко Г.А. Исследование физико-химических основ технологии разделения продуктов алкилирования фенола метанолом на-окиси алюминия.- Автореф.дисс. . канд.техн.наук. М.: МИТХТ, 1981. - 31 с.

50. Гордон К., Дэвис Д. Ректификация в свете современных представлений,- Инженер-нефтяник, 1961, № 4, с.73-87.

51. Beycj Kohev- P.J. '/Ае i'epava.+ion of efhylbeyiz&viefrom p-амк ж- Ху/еие toy >ve D ist/ ЛаЪ'ои u<>i t\cjoj- PolycUloro covbjoawAs ^ Ibsta. CUev*. Sn^.J.^^

52. B$0 t V. , П/5, р.Я£2-86Б.- 172

53. Berg JL. Sepcvov."tiov» ©J- ^ечгеме <*v>ej "Ьо/меуле f-vowi clflse boilmj ккэ*aromaticS by 6xfr«c}-ive 'Oisfi 11 af/on .

54. U. CKem. 3 , /583 ^ V-29, p. 966

55. MifcitevAo /Isse I mi eau JL. Puvi f i cation cf )эегггеиеto) uevi€ fcy feeo't'yopic. SjA-racfavQ. QisfoWck* Пат. #>РГ 2809985 , 1975.

56. Кива B.H., Надуткина С.И., Мозговая В.П. Способ осушки диок-сана.- Авт.свид.СССР № 256780, 1970.

57. Огородников С.И., Лестева Т.М., Коган В.Б. Азеотропные смеси.-Л.: Химия, 1971.- 847 с.

58. Hoys ley JL.T. Azeotrop ic . issiwe.- Wft-shmgtd^ ; Ягмег!ссп Che*»\c&X Safety, 1962- i*0O F . issiu&.- WasKj

59. Kigton ; Лmericft* Ckevmc<d Society ^ 107/- 6*28 f>

60. Кошельков В.А. Исследования в области разделения спиртов.-Авшореф.дис. . канд.техн.наук.- М.: МИТХТД971.- 16 с.

61. Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. Справочное пособие.- Л.: Наука, 1966 1429с.

62. Войсбергер А., Проскруэр Э., Риддик Дж., Туте Э. Органические растворители. Физические и химические методы очистки./Пер. с англ. под ред.Я.М.Варшавского.- М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1958.- 518 с.- 173

63. Wilson G.M. V&p<3L«Y liquid brium XI. A mew expression for Ьг\е excess вух^ус^ oj- rvuxing. Journ, /lr*ev. Cher*. S'oc. э 196Л , V- ?(• , W'2 , p. 127- 138

64. Рид.P., Праузниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие / Пер.с англ.под ред.Б.И.Соколова. 3-е изд., перераб.и доп.- Л.: Химия, 1982.- 592 с.

65. Богданов B.C. Определение равновесия пар-жидкость по данным Р-Х или -t-эс неидеальных бинарных смесей.- В кн.: Фазо-вве равновесия и разделение смесей в процессах нефтехимического синтеза. Сборник научных трудов.- Л.: ВНИИНЕфТЕХИМ, 1974, с.108-114.

66. Справочник химика. Изд. 3-е. Том d. Основные свойства органических и неорганических соединений.- Л.: Химия, 1971.1168 с.

67. Сусарев М.П. Закономерности расположения складок поверхности давления тройной системы жидкость-пар и смещение складок при изменении температуры.- Журн.физич.химии, 1963, т.37,8, 1763-1768»

68. Серафимов Л.А., Жаров В.Т., Витман Т.А. 0 взаимном расположении некоторых изо-многообразий в диаграммах равновесия двух фазных многокомпонентных смесей.- Ж.физич.химии,1974, т.48, № II, с.2724-2728.

69. NaphtaLi k-, SavuJholm D. P^ulti component separftVtov,

70. U+ i on ky /ineftVi'zaf (ел . А у* ■ l-MSfu . CKevH.1971 , V /7 , IV4 , p. ii8 156 .

71. Ho$-aliy\g B- , Sender J. Д )nddi£)€c< Nbphi&li SbncHhaly*method for gewerd.) 5 inter) in keel muHig^a,^ с

72. SepoifCiioY'p . ~ Am. Jr>s+". Che™. J- , 197g j V- ,p. II.

73. Терехин В.П., Шмелев А.С., Громыхалина С.А. Устойчивый релаксационный метод расчета сложной ректификационной колонны.

74. В кн.: Производство углеводородных растворителей.- М.: ЦНИИТЭНЕФГЕХИМ, 1979, с.54-57.

75. Revlow Й-, Asselitoeau L-, СоЬеи G 1?а >гл Ьаы It С. Са./сч/ sur ordiv)t\,ieur des e^ui Jibres //guide- vc*peu.т &tli^uiAe . Sfrdib'o" TecKnip , Ports 1*37/

76. Праузниц Дк., Эккерт К., Орай Р., О'Каниел Дж. Машинный расчет паро-жидкостного равновесия многокомпонентных смесей. Пер.с ан,л. В.Н.Ветохина под ред.В.М.Платонова.- М.г Химия, 1971.- 215 с.

77. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование.- М.: Мир, 1975. 397 с.