Разработка схем ректификации промышленных пятикомпонентных смесей на основе анализа диаграмм фазового равновесия

Во введении обоснована актуальность проводимых исследований,
сформулированы цель и задачи, представлены результаты работы.
В первой главе представлен обзор литературы по исследованию структуры диаграммы фазового равновесия МКС и роли данного исследования в разработке ПТСР жидких смесей. На сегодняшний день основным методом является ТТА фазовых диаграмм. Приведены его основные понятия: особые точки, индекс Пуанкаре, сепаратрические многообразия, правило азеотропии. Отдельно выделены работы, посвященные пятикомпонентным системам, представлен алгоритм их исследования, позволяющий предсказывать наличие в системе внутреннего азеотропа. Также проанализированы схемы разделения двух промышленных смесей (реакционной смеси синтеза эпихлоргидрина жидкофазным эпоксидированием аллилхлорида пероксидом водорода и бутанольно-толуольной смеси, образующейся на стадии очистки сточных вод производства кремнийорганических эмалей). На основе анализа научно-технической литературы сформулированы цель и задачи диссертационной работы.
Вторая глава посвящена исследованию диаграмм фазового равновесия пятикомпонентных систем, рассматриваются особенности формирования их внутреннего пространства – пентатопа. Принципиальным является выделение сепаратрических многообразий максимальной размерности (S3), которые порождаются седловидными азеотропами разной компонентности и разбивают симплекс на области дистилляции (ректификации при бесконечном орошении). Тип седловидных особых точек диаграммы ПЖР исследуемых систем определяется разным соотношением знаков четырех характеристических корней λ системы линейного приближения уравнений дистилляции.
ТТА начинают с анализа разверток пентатопа размерности два и три, которые содержат следы всех геометрических элементов диаграммы, в том числе сепаратрических многообразий (S3). Каждый бинарный и тройной азеотроп седловидного типа (с ненулевым индексом Пуанкаре) в пятикомпонентных системах порождает три одномерные (линии S1) и три двухмерные (поверхности S2) сепаратрисы, которые отображаются на развертке пентатопа своей размерности: два и три, соответственно. Данные многообразия представляют собой граничное пространство гиперповерхности S3, относительно которой азеотроп будет являться узлом (узловая поверхность седла). Многообразие S3 делит пентатоп на области
ректификации (при бесконечном орошении), отличающиеся конечным набором продуктов.
В соавторстве с Фролковой А.В. разработана методика построения и анализа структур трехмерных сепаратрических гиперповерхностей, включающая три основных этапа:
1. Анализ двухмерной развертки концентрационного пентатопа. Выявление одномерных следов (S1) трехмерного сепаратрического многообразия S3.
2. Анализ трехмерной развертки концентрационного пентатопа. Выявление двухмерных следов (S2) трехмерного сепаратрического многообразия S3.
3. Анализ концентрационного пентатопа. Определение внутренней структуры трехмерного сепаратрического многообразия S3.
Проиллюстрируем методику на примере модельной системы этанол (Э) –
вода (В) – толуол (Т) – бутилацетат (БА) – этилцеллозольв (ЭЦ). Система содержит семь бинарных и один тройной азеотроп (таблица 1).
Таблица 1 – Температуры кипения чистых веществ и азеотропов
Особая точка Т кип, К Особая точка Т кип, К
Э В Т БА ЭЦ 351.46 373.17 383.76 399.27 408.15
В–Т В–БА В–ЭЦ Т–ЭЦ БА–ЭЦ 357.68 363.63 355.52 382.89 398.72
Э–В Э–Т
351.30
Э–В–Т –
350.01 347.00 –
Этап 1. Для особых точек, отвечающих чистым компонентам и бинарным азеотропам, двухмерная развертка позволяет определить знаки всех четырех характеристических корней, а, следовательно, уже на этапе 1 можно определить число седел первого и третьего порядка, которые будут порождать трехмерные сепаратрические гиперповерхности. Кроме того, такие поверхности могут быть порождены тройными седловидными азеотропами. Аналогичным образом можно выявить наличие в системе особых точек типа устойчивый (неустойчивый) узел (для вершин и бинарных азеотропов), что в свою очередь позволит определить минимальное число областей дистилляции. Если число узлов (устойчивых или неустойчивых) превышает единицу, в системе будет присутствовать трехмерное сепаратрическое многообразие. Каждая из узловых точек, в случае наличия S3, на развертке будет охвачена контуром – замкнутой линией, состоящей из особых точек, одномерных сепаратрис и ребер симплекса. На рис. 1 приведена двухмерная развертка концентрационного симплекса исследуемой системы. Данная развертка позволяет получить полную информацию о знаках топологического индекса и типах всех особых точек относительно трехмерной развертки и относительно полной структуры симплекса (таблица 2).
Рисунок 1 – Двухмерная развертка пентатопа системы Э – В – Т – БА – ЭЦ Таблица 2 – Баланс индексов особых точек системы Э – В – Т – БА – ЭЦ
Особые точки Э В Т БА ЭЦ Э–В Э–Т Трехмерная Тип CN NУ CN NУ NУ CN CN развертка I 0 1 0 1 1 0 0 Пентатоп Тип – NУ – NУ NУ – –
I0101100 Особые точки В–Т В–БА В–ЭЦ Т–ЭЦ БА–ЭЦ Э–В–Т Трехмерная Тип CN CN C CN C NН Σi развертка I 0 0 -1 0 -1 -1 0 Пентатоп Тип – – C – C NН Σi
I 0 0 -1 0 -1 1 2
Каждый из устойчивых узлов охвачен замкнутой линией, состоящей из особых точек, сепаратрис (S1) и границ симплекса – одномерных следов разделяющей гиперповерхности. Фазовая диаграмма содержит один неустойчивый и три устойчивых узла, что свидетельствует о наличии трех областей дистилляции (выделены цветом на рис. 1) и двух трехмерных сепаратрических многообразий.
Этап 2. Анализ трехмерной развертки (пять склеенных между собой тетраэдров – рис. 2) позволяет выявить двухмерные разделяющие многообразия S2, которые составляют граничное пространство трехмерной сепаратрической гиперповерхности S3. Цветом (красным и голубым) выделены сепаратрические многообразия размерности 2, относящиеся к разным контурам и формирующие граничное пространство двух гиперповерхностей.
Баланс индексов особых точек относительно тетраэдров приведен в диссертации.
9

Рисунок 2 – Концентрационные тетраэдры системы Э – В – Т – БА – ЭЦ
Этап 3. Баланс индексов особых точек относительно полной структуры пентатопа так же представлен в таблице 2. На основе выделенных граничных элементов S2 строим полные структуры трехмерных сепаратрических многообразий (рис. 3). В исследуемой системе одна трехмерная гиперповерхность (слева) является симплексом, другая (справа) – комплексом.
Рисунок 3 – Структура многообразий S3 системы Э – В – Т – БА – ЭЦ Предложенная методика проиллюстрирована в диссертации на примере двух модельных и трех реальных систем (ацетон – метанол – этилацетат – этанол – бутанол, ацетон – метанол – циклогексан – пропанол-2 – вода, ацетон – хлороформ – этанол – циклогексан – вода). Последняя система интересна тем, что в ней предсказан пятикомпонентный азеотроп, тип которого установлен на основе анализа структуры
трехмерной сепаратрической гиперповерхности (седло третьего порядка). Исследование структуры S3 позволяет выявить наличие многообразий S2, отсутствующих на трехмерной развертке пентатопа, а также определить тип пятикомпонентного азеотропа (при его наличии в системе). Следует отметить, что, если в пятикомпонентной системе число многообразий S2 меньше четырех,
трехмерное сепаратрическое многообразие внутри пентатопа сформироваться не сможет (четыре – это минимальное количество S2 для образования S3). Знание структуры S3, подчиняющейся термодинамико-топологическим закономерностям фазовых симплексов и комплексов, может быть полезным при оценке возможности разделения смесей, составы которых принадлежат этому сепаратрическому многообразию.
В третьей главе представлены результаты исследования фазовых диаграмм промышленных смесей, в том числе с использованием методики, предложенной во второй главе.
1) Реакционные смеси синтеза эпихлоргидрина, содержащие аллилхлорид (АХ), воду (В), эпихлоргидрин (ЭХГ), растворитель (спирт С1-С4) и тяжелокипящую фракцию ТКФ (размерность решаемой задачи понижена за счет объединения тяжелокипящих компонентов в одну фракцию – ТКФ, так как они не образуют азеотропов с остальными компонентами). Рассмотрено пять систем, различающихся присутствием разных спиртов С1-С4: метанол (М); этанол (Э); пропанол-2 (П2); пропанол-1 (П1); бутанол-1 (Б).
Анализ двухмерных разверток пентатопов (этап 1) систем показал, что каждая развертка не имеет замкнутых контуров, охватывающих узловые точки и содержит один устойчивый узел (для всех систем это ТКФ) и один неустойчивый узел (для системы с метанолом это азеотроп АХ–М, с этанолом – азеотроп АХ–Э–В, для остальных систем – азеотроп АХ–В). Данный факт свидетельствует о том, что в концентрационных пентатопах всех систем отсутствует S3 и каждый пентатоп имеет одну область дистилляции. Поэтому, ТКФ можно отделить от остальных компонентов смесей на первом этапе выделения. Это дает возможность далее перейти к анализу пяти четырехкомпонентных систем (этап 2), таким образом, понизив размерность решаемой задачи еще на единицу. Концентрационные тетраэдры для систем с метанолом, этанолом, пропанолом-2, пропанолом-1, бутанолом-1 представлены на рис. 4 (анализ типов и индексов особых точек относительно концентрационных тетраэдров приведен в диссертации).
В таблице 3 приведены характеристики бинарных азеотропов, содержащих разные спирты, и некоторые характеристики структуры диаграммы.
Отсутствие четырехкомпонентных азеотропов и возможность выхода на расслаивающиеся тройные и бинарные составляющие позволяет рассматривать в качестве основных схем разделения смесей синтеза ЭХГ сочетание ректификации и расслаивания.
Рисунок 4 – Концентрационные тетраэдры систем АХ – В – растворитель – ЭХГ: растворитель – метанол, этанол, пропанол-2, пропанол-1, бутанол-1
Таблица 3 – Сравнение структур диаграмм фазового равновесия систем аллилхлорид – растворитель – вода – эпихлоргидрин
Характеристики системы
Конц. спирта (мол.%) в азеотропе спирт–АХ Конц. спирта (мол.%) в азеотропе спирт–В Конц. спирта (мол.%) в азеотропе спирт–ЭХГ Число сепаратрических поверхностей
Число областей дистилляции
Тип области двухфазного расслаивания
Растворитель
М Э П2 П1 Б
24.42 10.66 2.56 – 89.52 69.36 – – –
– 43.38 83.80
– 24.83 51.93
1 1132
2 2233
З ЗЗЗО Примечание: О – открытая, З – закрытая области расслаивания.
2) Бутанольно-толуольная смесь, образующаяся в производстве кремнийорганических эмалей и содержащая этанол (Э), воду (В), толуол (Т), бутанол-1 (Б), хлорбензол (ХБ).
Анализ двухмерной развертки пентатопа (этап 1) БТС (рис. 5) показал, что развертка содержит три устойчивых узла (вершины В, Б, ХБ), ограниченных замкнутыми контурами. Азеотроп Э–Т–В, обладающий минимальной температурой кипения в системе, однозначно является неустойчивым узлом.
В пентатопе имеется три области дистилляции, отделенные друг от друга тремя сепаратрическими многообразиями S3 (рис. 5) (три бинарных азеотропа являются седлами первого порядка: В–БС, В–ХБ и Б–ХБ).
12

Рисунок 5 – Двухмерная развертка пентатопа системы Э – В – Т – Б – ХБ Анализ концентрационных тетраэдров (рис. 6) и баланса индексов относительно трехмерной развертки (таблица 4) пентатопа (этап 2) показал, что диаграммы фазового равновесия четырехкомпонентных составляющих содержат 12 сепаратрических многообразий S2, каждое из которых порождается своей седловидной точкой. Данные многообразия можно разбить на три группы, каждая из которых будет участвовать в формировании граничного пространства одной из трех S3 (рис. 7). Тройной азеотроп В–Б–ХБ седловидного типа породит внутри
концентрационного пентатопа S2 (данная поверхность будет общей для всех S3).
Рисунок 6 – Концентрационные тетраэдры системы Э – В – Т – Б – ХБ
В системе имеется три пары компонентов В–Б, В–ХБ, В–Т с ограниченной взаимной растворимостью. В четырех концентрационных тетраэдрах систем с этанолом формируется область двухфазного расслаивания закрытого типа, в пятом
(В–Т–Б–ХБ) – открытого. Данные области являются границами одной области двухфазного расслаивания закрытого типа в пентатопе.
Таблица 4 – Баланс индексов особых точек системы Э – В – Т – Б – ХБ
Особые точки Э В Т Б ХБ Э–В Э–Т В–Т В–Б Т–Б В–ХБ Трехмерная тип CN NУ CN NУ NУ CN CN CN C CN C развертка i 0 1 0 1 1 0 0 0 -1 0 -1
Пентатоп
тип – NУ – NУ NУ – – – C – C i 0 1 0 1 1 0 0 0 -1 0 -1
Э–В–ХБ В–Б–ХБ
CN C Σi 0 1 0 – C Σi
Особые точки
Трехмерная
развертка i -1 Пентатоп тип C
Б–ХБ Э–В–Т В–Т–Б тип C NН CN
-1 0 NН –
i -1 1 0 0 1 2
Рисунок 7 – Структура многообразий S3 системы Э – В – Т – Б – ХБ
Сложная внутренняя структура концентрационного пентатопа БТС и внутренних сепаратрических многообразий приводит к необходимости
использования специального метода уже на первом этапе разделения смеси.
ТТА фазовых диаграмм рассмотренных систем проведен в соавторстве с
Фролковой А.В., Фролковой А.К. и Серафимовым Л.А.
Четвертая глава посвящена разработке ПТСР промышленных смесей.
Анализ внутреннего пространства концентрационного симплекса МКС, характеризующихся сложной структурой фазовой диаграммы, и оценка принадлежности точки состава исходной смеси конкретной области дистилляции позволяет прогнозировать возможность разделения смеси на фракции различного состава и выбирать схемы, содержащие минимальное число аппаратов. Предпочтение следует отдавать варианту схемы, когда на первом этапе удается разделить смесь на фракции, не содержащие хотя бы одного общего компонента.
Для смесей с ЭХГ тяжелокипящая фракция может быть выделена на первой стадии разделения, что снижает в последующих колоннах температуру куба и
вероятность разложения. После отделения ТКФ точка состава разделяемой смеси в зависимости от степени превращения реагентов может принадлежать разным областям дистилляции в концентрационном тетраэдре системы АХ – растворитель – В – ЭХГ. Каждая область дистилляции (ОД) содержит несколько подобластей ректификации (ПОР), которые будут отличаться набором и последовательностью выделения продуктов, следовательно, и самой схемой разделения (таблица 5). Таблица 5 – Количество ОД, ПОР и ПТСР для систем АХ – В – растворитель – ЭХГ
Система А
B
С
D E
Растворитель метанол этанол пропанол-2 пропанол-1 бутанол
Число ОД Число 2 5 2 7 2 4 3 7 3 6
ПОР
Число ПТСР 12
9
12
Итого
В основу синтеза ПТСР положено использование режимов I и II заданного
разделения и метода сочетания ректификации и расслаивания для выделения целевого продукта из гетероазеотропной смеси ЭХГ–В. Рассматриваются сепаратрические многообразия с нулевой кривизной. Кроме того, синтезированы 6 ПТСР с использованием расслаивания сразу после выделения ТКФ при условии, что точка разделяемой смеси принадлежит области расслаивания. Таким образом, в общей сложности предложено 70 ПТСР (приложение к диссертации). Следует отметить, что выделение целевого продукта ЭХГ по II заданному разделению возможно только для ограниченной области исходных составов для систем с этанолом и пропанолом-2. Первое заданное разделение с получением в дистилляте азеотропов АХ–М, АХ–Э–В и АХ–В применимо для систем с метанолом, этанолом и пропанолом-2. В этом случае ЭХГ выделяется в комплексе колонн с флорентийским сосудом. Для системы с этанолом при разделении дистиллятного продукта потребуется на одну колонну больше (тройной азеотроп). Для системы с пропанолом-2 возможно разделение азеотропа АХ–В с использованием флорентийского сосуда, что исключено в случае гомогенного азеотропа АХ–М.
Таким образом, уже на этапе анализа структур фазовых диаграмм и схем разделения проведена дискриминация растворителей. Наиболее простые ПТСР характерны для систем с М и П2, они содержат меньшее число аппаратов: ПТСР системы с Э имеют на 1 колонну больше за счет тройного гетероазеотропа АХ–Э–В, ПТСР систем с П1 и Б1 являются более сложными за счет более сложной структуры диаграмм фазового равновесия, они содержат большее число аппаратов, целевой продукт ЭХГ выделяется в виде азеотропов П1–ЭХГ–В, П1–ЭХГ, Б–ЭХГ.
На рисунке 8 приведены ПТСР смесей с метанолом и пропанолом-2. Разделению подвергаются смеси одинакового состава (АХ – 16.66, М (П2) – 61.61, В – 10.88, ЭХГ – 10.15, ТКФ – 0.7 (в масс.%)). Для корректного сравнения в обеих схемах достигалось одинаковое качество продуктов, отвечающих требованиям ГОСТ.
Рисунок 8 – ПТСР смесей АХ – В – растворитель – ЭХГ – ТКФ: (а) М; (б) П2
Поскольку возможности обычной ректификации ограничены, были рассмотрены специальные методы. Для разделения азеотропов АХ–М и П2–В предлагается использовать экстрактивную ректификацию с диметилсульфоксидом (ДМСО), для разделения АХ–В – сочетание ректификации и расслаивания. Ограниченная взаимная растворимость АХ и В позволяет выделить АХ в составе органического слоя как самостоятельный продуктовый поток (99.05 масс.%). По
причине малой доли ТКФ в реакционной смеси, покидающей реактор (0.7 масс.%), предложено объединить первый и второй этапы разделения с организацией бокового отбора с нижних тарелок колонны.
Для системы с пропанолом-2 точка состава бокового потока колонны К1 расположена вблизи сепаратрисы, порожденной седловидным азеотропом В–ЭХГ. Для создания более благоприятных условий для полного выделения ЭХГ организован направленный поток по пропанолу-2.
Расчет параметров работы ректификационных колонн на 100 кг/ч исходной смеси (число ступеней разделения, тарелка питания, флегмовое число) проведен в программном комплексе AspenPlus® (таблицы 6 и 7). Предпочтение отдавалось параметрам, обеспечивающим получение всех веществ чистотой, отвечающей ГОСТ, при минимальных энергозатратах.
Таблица 6 – Параметры работы ректификационных колонн ПТСР смеси с М
NF (NБОК)
N (NЭА) R
D, W, XD, ТD, XW, ТW, Q
Колонна
кг/ч кг/ч
18.92 0.70
масс.%
88.00 11.89 0.05 0.05 0.00
°С масс.% °С
0.00
0.00
40.14 0.10 180.38 0.00
99.90
кВт
20.93
100.20
3
К1 20 (12) 7.10
Боковой отбор: 80.38 кг/ч, ТКИП 68.56 °С
0.01 масс.% АХ, 73.85 масс.% М, 13.52 масс.% В, 12.62 масс.% ЭХГ
0.02
К2 55 48 4.50 59.44 20.94 99.70 0.13
0.15
64.56
0.00
0.48 87.73 51.53
47.99
Соотношение потоков, покидающих сепаратор, – 1.37 (водный слой / орг. слой)
К3
К4
К5
0.00
10 1 – 3.44 10.80 7.56 22.67
69.77 0.00
9 1 – 0.44 10.09 4.55 22.73
72.73
99.04 17 0.90 25 (2) 1.61 16.73 29.20 0.00 0.00 0.06
82.94
84.50
43.36
0.00
0.09 99.92 2.09 99.91
0.00 0.00
0.30 113.61 0.63 0.00
99.70
0.27
7.19
0.03 132.93 1.76 0.03
92.47
17

Соотношение потоков D1 и ЭА составляет 1 / 1.4
К6 32
0.30 99.70
17 2.94 2.11 27.03 0.00 0.00 0.00
33.80
0.03
0.00
0.03 143.99 2.81 0.04
99.90
Примечание: компоненты указаны в следующей последовательности: АХ, М, В, ЭХГ, ДМСО или ТКФ; все колонны работают при атмосферном давлении (за исключением
колонны К6 – 200 мм рт. ст.), температура во флорентийском сосуде – 20 °С.
Таблица 7 – Параметры работы ректификационных колонн ПТСР смеси с П2
NF (NБОК)
N (NЭА) R
20 (16) 3.00
D, W, XD, ТD, XW, ТW, Q
Колонна
кг/ч кг/ч масс.%
96.02 0.63 17.33 0.70 3.29 0.06 0.00
°С масс.% °С кВт
0.00
0.00
43.40 0.00 183.47 11.28
0.10 99.90
К1
К2
К3
К4
Боковой отбор: 81.97 кг/ч, ТКИП 80.66 °С
0.02 масс.% АХ, 75.03 масс.% П2, 12.58 масс.% В, 12.37 масс.% ЭХГ
0.02
35 27 2.26 89.58 10.17 88.47 11.51
0.00
80.16
0.00
0.30 117.63 78.23 0.00
99.70
Соотношение потоков П2 рецикла и бокового отбора К1 составляет 1 / 4.57
0.03 20 99.70
40 (2) 1.00 79.38 91.20 0.08 0.00 0.19
0.00
0.10 82.00 11.24
0.00 88.66
140.91 9.96
143.65 8.30
Соотношение потоков D2 и ЭА составляет 1 / 0.9
0.00
0.10 13 5 0.45 10.26 80.94 99.90
0.00
0.00
0.00
0.10 66.28 0.00 0.00
99.90
Соотношение потоков, покидающих сепаратор, – 25.45 (орг. слой / водный слой)
Примечание: компоненты указаны в следующей последовательности: АХ, П2, В, ЭХГ, ДМСО или ТКФ; все колонны работают при атмосферном давлении (за исключением колонны К4 – 200 мм рт. ст.), температура во флорентийском сосуде – 20 °С.
В итоге суммарные энергетические затраты составили 128.42 кВт и 107.77 кВт для ПТСР систем с метанолом и пропанолом-2, соответственно. Схема разделения с пропанолом-2 содержит на две ректификационные колонны меньше. Суммарная эффективность ректификационных колонн ПТСР (суммарное число ступеней разделения) также ниже для системы с пропанолом-2 (108 т.т.) по сравнению с метанольной системой (151 т.т.). Суммарные энергозатраты ниже для ПТСР системы с пропанолом-2 на 19%. Необходимо указать, что при небольшом увеличении концентрации пропанола-2 в исходной смеси, а именно: до 68 масс.%, т.е. проведение реакции эпоксидирования аллилхлорида при небольшом избытке растворителя, возможно отказаться от направленного рецикла, что упростит ПТСР системы с пропанолом-2 и снизит суммарные энергозатраты.
Для синтеза принципиальной схемы разделения бутанольно-толуольной смеси и определения статических параметров работы аппаратов выбран ее промышленный состав (масс.%): этанол – 72.40; вода – 6.60; толуол – 6.80; бутанол – 9.70; хлорбензол – 4.50 (количество исходной смеси 100 кг/ч). Исходная смесь принадлежит области дистилляции, в которой устойчивым узлом является точка чистого бутанола (ОД зеленого цвета на рис. 5). Для разделения предлагается схема (рис. 9), состоящая из пяти колонн и двух сепараторов и представляющая сочетание: комплекса К1-Ф1-К5 (ректификация и расслаивание), одиночной колонны К2 и комплекса К3-Ф2-К4 (автоэкстрактивно-гетероазеотропная ректификация). Работоспособность схемы подтверждена расчетом ректификации. В вычислительном эксперименте подобраны статические параметры работы колонн (таблица 8), позволяющие получить вещества товарного качества (ГОСТ).
Рисунок 9 – Принципиальные технологические схемы разделения смеси Э – В – Т – Б – ХБ
Таблица 8 – Параметры работы ректификационных колонн ПТСР БТС
NF (NРЕЦ+ЭА)
Колонна N (NРЕЦ) R
К1 30 (3) 2.00
D, W, кг/ч кг/ч
52.47 92.97
XD, масс.%
40.65 10.12 49.23 0.00 0.00
ТD, °С
72.85
XW, ТW, масс.% °С
78.88
6.87
0.00 79.35
10.42 3.83
Соотношение потоков, покидающих сепаратор, – 0.31 (орг. слой / водный слой)
К23014
26 К3 30 (4)
86.66 7.76 2.50 83.66 9.68 0.00 0.00 5.58
Поток ЭА: 668.21 кг/ч ХБ
0.00 19.23
3.00 30.23 744.31 0.00 0.00
80.77
0.00
0.02 78.07 0.00
115.61
84.71
76.92
99.98 0.00
9.71 0.02 0.00 0.00 90.27
Соотношение потоков, покидающих сепаратор, – 0.47 (орг. слой / водный слой)
К4 30 28
К5 10 2
3.00 73.45
0.01 14.36
97.59 0.00 671.53 0.00 0.00 2.41
10.39 6.80 0.19
89.42
0.12
0.00 78.36 0.00 0.00
130.55
99.88
0.00
79.16 0.00 110.68 100.00
Примечание: компоненты указаны в следующей последовательности: Э, В, Т, Б, ХБ; все колонны работают при атмосферном давлении; температура во флорентийском сосуде – 20 °С.
В предложенной схеме используется комплекс автоэкстрактивно- гетероазеотропной ректификации на стадии разделения тройной составляющей вода – этанол – хлорбензол (разделяющий агент – хлорбензол). Последнее позволяет отказаться от введения в систему дополнительных веществ и повысить, таким образом, эффективность очистки сточных вод на производстве кремнийорганических эмалей.
Синтез схем разделения рассмотренных систем проведен в соавторстве с Фролковой А.В., Фролковой А.К.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
1) Предложена методика построения и анализа трехмерных сепаратрических гиперповерхностей диаграммы ПЖР пятикомпонентных систем на основе анализа граничного пространства концентрационного симплекса. Методика проиллюстрирована результатами исследования фазовых диаграмм семи пятикомпонентных систем разной сложности.
2) Получены полные наборы параметров бинарного взаимодействия, позволяющие воспроизводить физико-химические свойства реальных объектов с относительной ошибкой, не превышающей 5%, для МКС, в том числе имеющих промышленное значение (реакционных смесей синтеза эпихлоргидрина и бутанольно-толуольной смеси производства кремнийорганических эмалей).
3) Для разделения реакционных смесей разного состава в производстве ЭХГ синтезировано множество ПТСР, которое включает 72 структур схем, различающихся организацией I, II заданных разделений, использованием расслаивания на разных этапах.
4) Предложены принципиальные схемы разделения реакционных смесей производства ЭХГ эпоксидированием аллилхлорида пероксидом водорода в присутствии разных растворителей, проведен их сравнительный анализ. Показано, что замена метанола пропанолом-2 сокращает энергозатраты на 19 % за счет режимных параметров работы ректификационных колонн схем разделения, обеспечивающих получение ЭХГ товарного качества.
5) Предложена принципиальная схема разделения бутанольно-толуольной смеси, включающая два функциональных комплекса, основанных на сочетании ректификации и расслаивания и использовании автоэкстрактивно-гетероазеотропной ректификации с хлорбензолом в качестве разделяющего агента. Получены режимные параметры работы ректификационных колонн, обеспечивающие получение продуктов товарного качества.
6) Полученные результаты по исследованию внутреннего пространства концентрационного симплекса многокомпонентных смесей рекомендовано включить в алгоритм синтеза схем разделения в качестве обязательного элемента предпроектной разработки технологии (этап «Физико-химические свойства систем»).
7) Перспективность научных исследований в разрабатываемой области определяется широким распространением многокомпонентных систем в промышленности, получаемых как в результате синтеза новых веществ, так и в виде отходов различных производств. Квалифицированное решение задач выделения и очистки продуктов, регенерации вспомогательных веществ позволит сократить
расходные нормы сырья, повысить качество продуктов, снизить энергозатраты и решить экологические проблемы конкретного предприятия и отрасли в целом.
Обозначения
NУ, NН, С, СN – особые точки типа устойчивый узел, неустойчивый узел, седло, седлоузел, i – индекс Пуанкаре, К1-K7 – ректификационные колонны, N – эффективность колонны, т.т., NF – номер тарелки питания, Q – энергозатраты на кипятильник, кВт, R – флегмовое число, XD – состав дистиллятного потока, масс.%, XW – состав кубового потока, масс.%, TD – температура кипения дистиллятного потока, °С, TW – температура кипения кубового потока, °С.