ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Целью настоящей работы является определение оптимальных рабочих параметров процесса экстрактивной ректификации смеси толуол–этилцеллозольв азеотропного состава в сложной колонне с боковой укрепляющей секцией. К таким параметрам относятся температура и расход разделяющего агента, тарелки подачи исходной смеси и экстрактивного агента, уровень отбора в боковую секцию и величина бокового отбора. В качестве критерия оптимизации использовали энергетические затраты в кипятильнике колонны.

Решение поставленной задачи осуществляли путем вычислительного эксперимента с использованием программного комплекса РRО-П.

3. РАСЧЕТНО–ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

  3.1. Критерий оптимизации.

В качестве критерия оценки эффективности применения комплекса с частично связанными тепловыми и материальными потоками мы использовали суммарные энергетические затраты в кубах простых двухсекционных колонн (SQ_кипПДК) и кубах сложной колонны с боковой исчерпывающей секцией (SQ_кипСК). При этом SQ_кипСК рассчитывались исходя из уравнения общего теплового баланса сложной колонны с боковой секцией, которое имеет вид следующий вид:

Q_F + Q_ЭА + Q_кип1СК + Q_кип2СК = Q_D + Q_W1 + Q_W2 + Q_конд1 (3.1)

где Q_F = F*C_F*T_F – количество тепла, поступающее с потоком исходной смеси;

Q_ЭА = Р_ЭА*С_ЭА*Т_ЭА – количество тепла, поступающее в колонну с потоком экстрактивного агента;

Q_D = D*C_D*T_D – количество тепла, отводимое с потоком дистиллята основной колонны;

Q_W1 = W₁*C_W1*T_W1 – количество тепла, отводимое с кубовым потоком основной колонны;

Q_W2 = W₂*C_W2*T_W2 – количество тепла, отводимое с кубовым потоком боковой секции;

Q_конд = D(R+1)r – количество тепла, отводимое при конденсации пара для создания потоков дистиллята и флегмы в основной колонне.

Откуда суммарные затраты тепла в кипятильниках:

SQ_кипСК = Q_кип1СК + Q_кип2СК = Q_D + Q_W1+ Q_W2 + Q_конд1 – Q_F – Q_ЭА (3.2)

То же для сложной колонны с боковой исчерпывающей секцией:

SQ_кипПДК = Q_{кип1ПДК} + Q_{кип2ПДК} = Q_D + Q_W1+ Q_W2 + Q_конд1 + Q_конд2 – Q_F – Q_ЭА

Потоки D₁, D₂ и W при заданном качестве продуктов определяются из общего материального баланса и зависят от количества и состава питания, а также от соотношения F:ЭА. Следовательно, теплосодержание верхнего и нижнего продуктов основной колонны и дистиллята боковой секции также зависят от этих величин.

Энергозатраты на проведение процесса будут определяться температурой и расходом экстрактивного агента, подаваемого в колонну, флегмовым числом в основной колонне (R). Величина Rзависит от профиля концентраций в колонне, на формирование которого в данном случае оказывает влияние не только положение тарелок подачи исходной смеси и ЭА, его температура и расход, но и положение тарелки отбора парового потока в боковую секцию и его количество.

  3.2. Моделирование фазового равновесия в системе этилцеллозольв – толуол – метилэтилкетон.

Для расчета оптимальных рабочих параметров процесса необходимо иметь данные о фазовом равновесии в исследуемой системе. Физико – химические свойства чистых веществ приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1.

Физико – химические свойства компонентов.

Компонент	Структурная формула	Молекулярная масса	Плотность,г/мл	ТКИП, ОС
Метилэтилкетон	CH3COC2H5	72,104	0,805	79,60
Толуол	C6H5CH3	92,140	0,8669	110,63
Этилцеллозольв	C2H5OCH2CH2OH	90,120	0,9311	135,10

В смеси этилцеллозольв – толуол имеется азеотроп с минимумом температуры кипения (Т^аз_кип=110,15ºC, содержание этилцеллозольва–10,8% мас.) [2]. Для моделирования фазового равновесия использовали уравнение Вильсона, параметры которого приведены в [2] (см. таблицу 3.2.).

Таблица 3.2.

Параметры уравнения Вильсона.

	Л12	Л21
Метилэтилкетон– толуол	0,9175	0,7636
Метилэтилкетон– этилцеллозольв	0,2121	1,7940
Толуол– этилцеллозольв	0,1099	0,7865

 

Уравнение Антуана представлено в виде:

LgP=A–(B/C+T), где Р– давление в мм.рт.ст.; Т– температура в ^ОС; А,В,С– коэффициенты уравнения Антуана (таблица 3.3.).

Таблица 3.3.

Коэффициенты уравнения Антуана.

Компонент	А	В	С
Метилэтилкетон	7,2476	1419,294	245,436
Толуол	6,9551	1345,090	219,520
Этилцеллозольв	7,5453	1445,030	178,099

 

3.3. Подготовка красчетному эксперименту.

Наша работа основана на исследованиях, проведённых автором [2]. В работе был исследован процесс экстрактивной ректификации смеси толуол– этилцеллозольв состава, близкого к азеотропному, с легкокипящим разделяющим агентом (метилэтилкетон). На основании теоретического обоснования, было высказано предположение, что возможны два варианта проведения процесса (с разновысотной подачей агента и смеси, и с однотарелочной подачей). Проведенные эксперименты (по колонне экстрактивной ректификации) подтвердили правильность этого предположения.

Для проверки адекватности описания данной системы и возможности проведения дальнейших расчетов в программном комплексе PRO/II, по данным работы [2] был проведен проверочный эксперимент. Результаты и схема приведены ниже.

аб

Рис.3.1. Колонна с разновысотной (а) и однотарелочной (б) подачей смеси и разделяющего агента.

Таблица 3.4.

Режим и результаты лабораторных опытов и расчетов (смесь МЭК– Т– ЭЦ ).

Подача смеси и агента		Питание		Агент		R	n/l/m	Верхний продукт, масс.%	Кубовый продукт
		Поток, кг/ч	Состав,масс.%	Поток, кг/ч	Состав, масс.%				Поток, кг/ч	Состав,масс.%
Разновысотная	Эксп-т	100	0– 72,6– 27,4	242	99,5– 0,5– 0	0,5	4/16/4	77,5– 22,5– 0	26,0	0– 0,8– 99,2
	Расчет	100	0– 72,6– 27,4	242	99,5– 0,5– 0	0,5	4/16/4	78,3– 20,2– 1,5	26,2	0,7– 0,2– 99,1
Однотарелочная	Эксп-т	100	0– 72,6– 27,4	273	99,5– 0,5– 0	0,5	12/0/12	77,4– 22,5– 0,1	25,8	0– 0,3– 99,7
	Расчет	100	0– 72,6– 27,4	273	99,5– 0,5– 0	0,5	12/0/12	75,9– 23,2– 0,9	26,1	0,1– 0,3– 99,6

где n, l и m– число теоретических тарелок в укрепляющей, реэкстракционной и исчерпывающей секциях.

Нужная воспроизводимость была достигнута, что позволило нам продолжить дальнейшие расчеты.

 

3.4. Расчетный эксперимент. 3.4.1. Оптимизация комплекса из двух простых двухсекционных колонн.

При фиксированном количестве, составе, температуре исходной смеси энергозатраты в кубах колонн определяются несколькими параметрами, а именно: флегмовыми числами в колонне экстрактивной ректификации и колонне регенерации агента, температурой и расходом экстрактивного агента.

Флегмовые числа в колоннах зависят от положения тарелок питания и подачи агента.

В колонну экстрактивный агент обычно подают при температуре кипения. Проведенные ранее расчеты для экстрактивной ректификации показали, что с увеличением температуры подачи агента в колонну, энергозатраты в кипятильнике снижаются. С другой стороны, чем при более высокой температуре агент подается в экстрактивную колонну, тем меньше тепла можно получить за счет его охлаждения. Таким образом, для точного определения температуры подачи агента в колонну, необходимо провести технико-экономический расчет схемы. На данном этапе для снижения размерности задачи оптимизации мы приняли Т_ЭА=80ºC (температура кипения экстрагента, подаваемого в колонну). Это позволит использовать его тепло в производственных нуждах, например для подогрева исходной смеси.

Таким образом, для обеспечения минимальных энергозатрат в кубе основной колонны нам необходимо найти оптимальное сочетание следующих рабочих параметров процесса:

1)         удельный расход экстрактивного агента;

2)         положение тарелок питания;

3)          положение тарелки подачи экстрактивного агента.

Так как все эти параметры взаимосвязаны между собой, мы проводили расчеты в несколько этапов. Количество исходной смеси составило 100 кг/ч, концентрация этилцеллозольва в питании 27,4% массовых. Эффективность основной колонны– 26 т.т., эффективность колонны регенерации– 23 т.т. Концентрация этилцеллозольва в продуктовом потоке - 99,0% масс., хлороформа– 99,0% масс., ДМФА– 99,0% масс.. Расчет фазового равновесия проводили по модели Вильсона, параметры которой приведены выше.

Сначала мы провели расчет, целью которого было определение оптимального положения тарелок питания и отбора при соотношении F:ЭА = 1:3,5 и количестве БО=150 кг/час.

5. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

1.         Айнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г. А. и др. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии, в 2 книгах, книга 2. Под ред. проф. Айнштейна В.Г. М.: Химия, 2000. 1760 с.

2.         Диссертация

3.         Тимофеев В.С., Серафимов Л.А. Принципы и технологии основного органического и нефтехимического синтеза.М. : «Высшая школа» 2003. –536 с.

4.         Коган В.Б. Азеотропная и экстрактивная ректификация. - Л.: Химия, 1971, 432 с.

5.         Патент 2213721 Способ разделения С4–углеводородных фракций. Россия, МПК С07С7/08. ОАО «Нижнекамскнефтехим», Борейко Н.П., Яфизова В.П., Репин В.В., Романов В.Г., Гаврилов Г.С. N2002109490/04: Заявл. 11.04.2002: Опубл. 10.10.2003.

6.         Гайле А.А.

7.         Патент 976630 Способ очистки изопрена / Чуркин В.Н., Горшков В.А., Елифантьева Н.В., Бутин В.И., №2986343/04; Заявл. 20.06.1980; опубл.27.07.2000

8.         Балашов А.Л., Чубаров С.М., Авдошин Г.А. Способ выделения и очистки 1,3-диоксолана. Нижегородский технический университет-1997, № 1.

9.         А.с. №686266, Горшков В.А., Кузнецов С.Г., Павлов С.Ю., Беляев В.А., Серова Н.В., Васильев Г.И., Шестовский Г.П., Малов Е.А. Способ разделения смесей близкокипящих углеводородов, БИ № 26, 1996.

10.      А.с. № 726821, Горшков В.А., Кузнецов С.Г., Павлов С.Ю., Беляев В.А., Серова Н.В., Васильев Г.И., Шестовский Г.П., Малов Е.А. Способ разделения углеводородов С₄-С₅, БИ № 26, 1996.

11.      Процесс извлечения пентафторэтана, № 6-19 3066 ( Япония), НПК 203/57, 1999.

12.      Патент № 2157360, Трофимов В.Н., Пантук Б.И., Деревцов В.И. Способ очистки бензола от непредельных углеводородов, № 99118148, 2000.

13.      Петлюк Ф.Б., Серафимов Л.А. Многокомпонентная ректификация. Теория и расчет: М., Химия, 1983. Серия «Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии». 304 с.

14.      Петлюк Ф.Б., Платонов В.М., Аветьян В.С. Оптимальные схемы ректификации многокомпонентных смесей, ХП, №11,1966, с.65-68.

15.      Деменков В.Н. Схемы фракционирования смесей в сложных колоннах. // Химия и технология топлив и масел. – 1997, №2, с.6–8.

16.      Комиссаров Ю.А., Гордеев Л.С., Вент Д.П. Научные основы процессов ректификации: В 2 т. Т. 2. Учебное пособие для вузов / Под ред. Л.А. Серафимова. –М.: Химия, 2004.–416 с.

17.      Тимошенко А.В., Паткина О.Д., Серафимов Л.А. Синтез оптимальных схем ректификации, состоящих из колонн с различным числом секций. // ТОХТ. – 2001, т.35, №5, с.485–491.

18.      Тимошенко А.В., Серафимов Л.А. Стратегия синтеза множества схем необратимой ректификации зеотропных смесей. // Теор. основы хим. технологии – 2001, т.35, №6, с.603–609

19.      Буев Д.Л. Разработка энергосберегающих схем ректификации, содержащих сложные колонны.- Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата техн. наук. М.:, МИТХТ, 2002, 24с.

20.      Тимошенко А.В., Анохина Е.А., Буев Д.Л. Применение графов траекторий ректификации для синтеза энергосберегающих технологий разделения // Теор. основы хим. технологии, 2004, т38, №2, с.1–5

21.      Тимошенко А.В., Серафимов Л.А. Синтез оптимальных схем ректификации с использованием колонн с различным числом секций // Теор. основы хим. технологии, 2001, т.35, №5, сс. 485-491

22.      Химическая энциклопедия в пяти томах, 3, 4. М: Научное изд. «Большая Российская энциклопедия», 1992.