Разработка энергосберегающих технологий процесса ректификации продуктов синтеза хлорбензола (стр. 7 из 8)
Основное области применения бензола ( более 80 %) – производство этилбензола, кумола, циклогексана. Остальное количество бензола –для получения анилина, малеинового ангидрида, как компонент моторного топлива для повышения октанового числа , как растворители и экстрагент в производстве лаков, красок ,ПАВ и др.
Хлорбензол- бесцветная жидкость с характерным запахом. Хорошо растворим в органических растворителях, растворимость в воде 0,049% по массе (30 0С), образует азеотропную смесь с водой.
Дихлорбензол растворим а этаноле и диэтиловом эфире. П-дихлорбензол так же растворим в бензоле, хлороформе и хлоре. При хлорировании в присутствии FeCl3 дихлорбензол превращается в 1,2,4-трихлорбензол (из орто-дихлорбензола образуется также небольшое количество 1,2,3-трихлорбензола).Дальнейшее хлорирование дает Петро-, пента и гексахлорбензолы
В промышленности о-дихлорбензол и п-дихлорбензол выделяют из смеси полихлоридов бензолов, образующихся как побочные продукты в производстве хлорбензола. После отгонки основного количества хлорбензола темную жидкость, содержащую 3-4 % хлорбензола 55-60 % п-дихлорбензола, 35-38 % о-дихлорбензола, примеси трихлорбензолов и смолообразных веществ; осветляют дистилляцией (130 0С,20 кПа),подвергают кристаллизации(0-5 0С) и центрифугированием отделяют п-дихлорбензол.
6.4. Выбор адекватной модели.
Систематическое исследование процессов ректификации требует выбора адекватной модели парожидкостного равновесия. В настоящей работе расчетный эксперимент поставлен на примере разделения многокомпонентной модельной смеси бензол - хлорбензол - метадихлорбензол.
Выбор модели описания парожидкостного взаимодействия для смесей бензол-хлорбензол производился на основании сопоставления экспериментальных и расчетных данных. Расчет парожидкостного равновесия проведен с использованием программного комплекса PRO/IL и её базы данных. На основании имеющегося опыта практического использования и общих рекомендаций по применению выбрано несколько моделей ПЖР, реализованных в программном комплексе:
I - NRTL, II - модель SRK, III – Wilson, IV – UNIQUAC, V – UNIFAC.
В качестве критерия сравнения для статистической обработки результатов было выбрано среднее относительное отклонение описания паровой фазы, δ.(6.4.1.)
где N- количество экспериментальных точек фазового равновесия.
Экспериментальные данные по парожидкостному равновесию пары бензол – хлорбензол.
Таблица 6.4.1
| X мол.дол. | Y мол.дол. | t, °С | P, мм.рт.ст. |
| 5.3 | 17.4 | 126.4 | 760 |
| 10.4 | 31.1 | 121.8 | |
| 19.2 | 48.0 | 115.1 | |
| 29.5 | 62.8 | 108.2 | |
| 29.6 | 62.9 | 108.2 | |
| 39.9 | 73.1 | 102.7 | |
| 51.4 | 81.6 | 97.1 | |
| 59.1 | 86.0 | 93.9 | |
| 68.4 | 90.4 | 90.3 | |
| 70.3 | 91.2 | 89.5 | |
| 78.6 | 94.2 | 86.7 | |
| 80.4 | 95.0 | 86.1 | |
| 88.4 | 97.1 | 83.5 |
Результаты моделирования парожидкостного равновесия
Таблица 6.4.2.
| Смесь | δ,% | ||||
| NRTL | UNIQUAC | Wilson | SRK | UNIFAC | |
| Бензол - хлорбензол | 2,21 | 0,665 | 0,649 | 1,48 | 0,627 |
Судя по среднему относительному отклонению от экспериментальных данных по парожидкостному равновесию, как видно в таблице 6.4.2., наиболее адекватно равновесие бинарной пары бензол-хлорбензол описывает модель UNIFAC. Данные для пар содержащих метадихлобензол в базе данных PROII есть только для модели UNIFAC, поэтому для дальнейших расчётов была принята модель UNIFAC.
6.5. Синтез схем ректификации для разделения смеси бензол-хлорбензол-м-дихлордензол
Для разделения трехкомпонентной зеотропной смеси нами было предложено четыре технологические схемы (рис. 6.5.1. - 6.5.2.). Две из них являются последовательностью из простых двухсекционных колонн, две другие - являются комплексами из сложных колонн с боковыми секциями. В ряде случаев применение сложных колонн оправдано за счет приближения к термодинамической обратимости за счет структурных особенностей. Кроме того, такие схемы требуют меньшее число кипятильников и дефлегматоров, что может привести к значительному снижению энергозатрат на разделение. Но следует помнить, что такие технологические схемы целесообразно применять при невысокой четкости разделения и содержании среднекипящего компонента более 20%.
Рассмотрим предложенные схемы более подробно.
Схема 1 представляет собой последовательность простых двухсекционных колонн, работающих в режиме первого заданного разделения (рис. 6.5.1.а, в). Согласно этой схеме в качестве дистиллата колонны 1 выделяют практически чистый бензол, а кубовый продукт колонны 1 поступает на дальнейшее разделение. В колонне 2 происходит разделение хлорбензола и метадихлорбензола.
Технологическая схема 2 представлена на рис. 6.5.2. а, в. Первая колонна схемы 2 работает в режиме второго заданного разделения, что позволяет выделить в качестве кубового продукта тяжелокипящий метадихлорбензол. Дистиллат колонны 1 направляют на дальнейшее разделение на бензол и хлорбензол в колонну 2.
Используя широко развитые методы синтеза схем, основанные на теории графов [5, 6, 7, 8], нами синтезированы технологические схемы разделения трехкомпонентной смеси бензол - хлорбензол – метадихлорбензол, содержащие сложные колонны (рис.6.5.1. б, г, 6.5.2. б, г). Схемами-прообразами являются описанные схемы 1 и 2. Для трансформации схем 1 и 2 представим их в виде графов (рис. 6.5.1. в, г, 6.5.2. в, г). Структуры 3 и 4 получают путем стягивания по ориентированному ребру, эксплицирующему потоки между колоннами. Полученные схемы-образы являются структурами с частично (рис. 6.5.1.б,г, 6.5.2.б,г) связанными тепловыми и материальными потоками.
Синтезированная схема 3 (рис. 6.5.1. б) представляет собой сложную колонну с боковой укрепляющей секцией. Схема содержит два дефлегматора и один кипятильник. Схема 4 (рис. 6.5.2. б), напротив, отличается наличием двух кипятильников и одного дефлегматора, представляя тем самым сложную колонну со стриппинг-секцией.
Таким образом, нами предложено четыре схемы разделения, представленные на рис.6.5.3.(схема1, схема2) и рис. 6.5.4. ( схема3, схема4).
6.6. Разделение смеси по схемам из простых и сложных колонн
Итак, нами было предложено четыре схемы ректификации.
Сравнение энергопотребления схем проводили по критерию минимальных энергозатрат, которые вычисляли как сумму тепловых нагрузок на кипятильники колонн. Все аппараты технологической схемы работают при давлении 1 кг/см2.
Все расчеты проводили на 200 КМоль/час исходной смеси с помощью программного комплекса PRO П.
В ходе расчетов для каждой технологической схемы нами были определены оптимальные положения тарелок питания, обеспечивающих минимальное энергопотребление в кубах колонн. Тарелка питания выбиралась с учётом того, чтобы состав потока питания был максимально близок к составу жидкости на тарелке. Для определения оптимальной тарелки питания в каждой колонне потребовалось проведение серии расчетов. В проектном варианте расчета в каждой колонне варьировали тарелку питания по высоте аппарата и сравнивали значения флегмового числа и тепловых нагрузок.
При увеличении числа тарелок в колонне энергозатраты в кубе колонны снижаются. Число тарелок N увеличивали до тех пор пока изменение энергозатрат ∆Q, рассчитанное по формуле (6.6.1.) не снижалось менее 1%
(6.6.1.)При снижении ∆Q менее 1% принималось окончательное число тарелок N.
Результаты расчётов по схемам 1-4 представлены в таблице 6.6.2.
Схемы №2 и №4 по характеристикам продуктового потока хлорбензола отличаются от схем №1и№3. Составы потока хлорбензола приведены в таблице 6.6.1. Согласно данным приведённым в таблице 6.6.1. схемы №2 и №4 несопоставимы со схемами №1 и №3 по двум причинам:
1. Согласно требованиям на товарный хлорбензол содержание дихлорбензола недопустимо. Хлорбензол полученный по схемам №2 и №4 содержит дихлорбензол что несоответствует требованиям стандартов.
2. Составы примесей в потоках хлорбензола для схем №1 и №3 не соответствуют составам примесей в потоках хлорбензола для схем №2 и №4, поэтому нельзя сопоставлять энергозатраты в схемах №1 и №3 с энергозатратами в схемах №2 и №4.
По приведённым выше причинам схемы №2 и №4 не рассматриваются как приемлемые для получения товарного хлорбензола.
Таблица 6.6.1.
| Состав потока хлорбензола (мольные доли) | Схема №1 | Схема №2 | Схема №3 | Схема №4 |
| Бензол | 0,0015 | 0,0015 | 0,0 | 0,0 |
| Хлорбензол | 0,9985 | 0,9985 | 0,9985 | 0,9985 |
| Дихлорбензол | 0,0 | 0,0015 | 0,0 | 0,0015 |
Сравнительные данные по энергозатратам в схемах 1-4.