Определение оптимальных рабочих параметров процесса экстрактивной ректификации смеси ацетон-хлороформ (стр. 1 из 8)

Федеральное агентство по образованию

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ТОНКОЙ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

ИМ. М.В. ЛОМОНОСОВА

Кафедра Химии и технологии основного органического синтеза

Аттестационная работа по теме:

«Определение оптимальных рабочих параметров процесса экстрактивной ректификации смеси ацетон-хлороформ в сложной колонне с боковой секцией»

на соискание степени бакалавра по направлению 550800 «Химическая технология и биотехнология»

Зам. зав. кафедрой, д.т.н., проф.

Тимошенко А.В.

Научный руководитель

к.т.н., асс.

Анохина Е.А.

Соискатель

Маханькова А.С.

Москва 2006 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение
1. Литературный обзор
1.1. Сущность процесса ректификации
1.2. Методы разделения азеотропных смесей
1.2.1. Разделение азеотропных смесей в комплексе колонн, работающих под разными давлением
1.2.2. Методы ректификации азеотропных смесей
с использованием разделяющих агентов
1.3. Применение сложных колонн для разделения
зеотропных и азеотропных смесей
1.4. Методы расчета парожидкостного равновесия в
многокомпонентных системах
1.4.1. Уравнения состояния
1.4.2. Модели локальных составов
1.4.3. Групповые модели
1.5. Некоторые свойства, токсическое действие, получение
и применение компонентов
2. Постановка задачи исследования
3. Расчетно-экспериментальная часть
3.1. Критерий оптимизации
3.2. Описание технологической схемы процесса
3.3. Моделирование фазового равновесия в системе
ацетон – хлороформ – ДМФА
3.4. Расчет оптимальных рабочих параметров
4. Выводы
5. Список использованной литературы
Приложения

ВВЕДЕНИЕ

Ацетон и хлороформ входят в состав смеси растворителей, применяемых в производстве термостабилизатора стабилина-9. Для их регенерации в [1] было предложено использовать экстрактивную ректификацию (ЭР) с тяжелокипящим разделяющим агентом диметилформамидом (ДМФА). Этот процесс осуществляется в комплексе, состоящем из двух колонн, — колонны экстрактивной ректификации и колонны регенерации экстрактивного агента. При этом практически чистый ацетон выделяется в дистилляте экстрактивной колонны, а практически чистый хлороформ — в дистилляте колонны регенерации, кубовый поток которой, представляющий собой практически чистый ДМФА возвращается в колонну экстрактивной ректификации.

Экстрактивная ректификация является достаточно энергоемким процессом. Для уменьшения энергозатрат на ЭР смеси ацетон - хлороформ был предложен способ проведения этого процесса в одной сложной колонне (СК) с боковой укрепляющей секцией [2]. При этом выделение ацетона осуществляется в дистилляте основной колонны, а хлороформа — в дистилляте боковой секции (БС). ДМФА извлекается в кубе основной колонны и возвращается рециклом в ее верхнее сечение. В результате снижение энергозатрат на разделение смеси промышленного состава, содержащей 82,9 %мас. ацетона, составило по сравнению с традиционной двухколонной схемой 28,5 %.

Данная работа является частью исследования, направленного на выявление концентрационных областей оптимальности схем экстрактивной ректификации смеси ацетон-хлороформ. Целью настоящей работы является определение оптимальных рабочих параметров процесса экстрактивной ректификации смеси ацетон-хлороформ азеотропного состава в сложной колонне с боковой укрепляющей секцией.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. СУЩНОСТЬ ПРОЦЕССА РЕКТИФИКАЦИИ [3].

В химической, нефтехимической и ряде других отраслей промышленности (пищевой, фармацевтической - вплоть до металлургической) используют широкое многообразие жидких и газовых смесей, подлежащих разделению на достаточно чистые компоненты или фракции различного состава. Разделение таких смесей при контакте жидкой и паровой фаз, сопровождающее перераспределением компонентов между фазами, называется перегонкой.

Ректификацией называется процесс переноса компонента (компонентов) между кипящей жидкой и насыщенной конденсирующейся паровой фазами при многоступенчатом противотоке этих фаз. При чередовании по схеме противотока операций частичной конденсации паровой и испарения (дистилляции) жидкой смесей можно получить выходы высококипящего компонента (ВКК) и низкокипящего компонента (НКК), примерно соответствующие их содержанию в исходной смеси.

В процессе ректификации подводимая извне теплота затрачивается только в кипятильниках - в низу колонны и боковых секциях для частичного испарения жидкой смеси с получением начального потока пара в обогревающем устройстве в нижней части ректификационного аппарата (чаще всего – колонны). Теплота конденсации паров также отводится только в конденсирующих устройствах - в верхней части ректификационного аппарата.

Постепенно за счет противоточного контакта фаз на тарелках снизу вверх нарастают концентрации НКК в паре и жидкости - устанавливается некий профиль концентраций; этот эффект и лежит в основе процесса ректификации. Чистота НКК на верху колонны определяется в рамках рассматриваемой схемы числом тарелок.

После установления необходимого концентрационного профиля, т.е. требуемой концентрации НКК (чистоты) на верху колонны, верхний продукт может отбираться в качестве целевого. Но если отбирать весь верхний продукт, то жидкая фаза перестанет стекать по колонне противотоком к пару, процесс ректификации будет нарушен. Поэтому после конденсации верхний продукт отбирается лишь частично; предусматривается возврат определенной части конденсата на орошение колонны для поддержания противоточного контакта фаз. В ректификации имеет место двунаправленный процесс переноса компонентов: НКК из жидкой фазы в паровую и НКК - в обратном направлении.

1.2. МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ АЗЕОТРОПНЫХ СМЕСЕЙ.

Для разделения смесей, состоящих из компонентов с близкими температурами кипения и характеризующихся небольшим значением коэффициента относительной летучести

, потребуется большое число тарелок в колонне. При разделении таких смесей велики будут и флегмовые числа, значит и расход энергии - теплоты в кубе, охлаждающей жидкости в конденсаторе. Если смесь образует азеотроп, то ее разделение на практически чистые компонент методом обычной ректификации становится невозможным (возможно лишь получение одного из компонентов (х₀) и смеси, близкой к составу азеотропа х_аз). В данном случае необходимо использовать специальные методы ректификации:

1) разделение в комплексе колонн, работающих под разными давлениями;

2) экстрактивную ректификацию;

3) азеотропную и гетероазеотропную ректификацию.

1.2.1. Разделение азеотропных смесей в комплексе колонн,работающих под разными давлением [4].

Для разделения азеотропных смесей используются комплексы функционального действия, которые позволяют преодолеть ограничения физико - химического характера и получать продукты требуемой чистоты. Часть комплексов базируется на принципе перераспределения полей концентраций между областями разделения. Частным случаем этого принципа является принцип перераспределения полей концентраций между областями ректификации. Этот принцип наиболее наглядно демонстрируется на примерах разделения азеотропных смесей, которое основано на изменении состава азеотропов с изменением давления. Составы азеотропов при разных давлениях различны, причем в зависимости от давления состав питания может принадлежать то одной, то другой области ректификации. Именно это свойство используется в двухколонных комплексах, предназначенных для разделения азеотропных смесей, в которых колонны работают при разных давлениях. Количество рецикла в общем случае зависит от состава исходной смеси, поступающей на разделение, и разности концентраций компонента А в азеотропах при двух выбранных давлениях, Причем, чем меньше эта разность, тем больше будет рецикл. Непременным условием разделения в таком комплексе бинарной смеси на чистые компоненты является более высокое содержание компонента А в азеотропе, выходящем из первой колонны, по сравнению с его содержанием в азеотропе, выходящем из второй колонны и поступающем в первую. Поскольку изменение состава азеотропа, приходящееся на один градус температуры, согласно закону Вревского, зависит от разности молярных теплот испарения компонентов, то рассматриваемый метод разделения тем эффективнее, чем больше отличаются теплоты испарения разделяемых смесей.

1.2.2. Методы ректификации азеотропных смесей с использованием разделяющих агентов [5].

Выбор разделяющих агентов.

При выборе разделяющих агентов для процессов азеотропной и экстрактивной ректификации должны учитываться свойства системы, подлежащей разделению.

Разделяющие агенты должны удовлетворять следующим требованиям:

1) изменение относительной летучести компонентов заданной смеси в желательном направлении;

2) легкость регенерации из смесей с компонентами системы, подвергаемой разделению;

3) безопасность в обращении, доступность и дешевизна;

4) инертность по отношению к компонентам заданной смеси, неспособность вызывать коррозию аппаратуры или разлагаться при нагревании.