Разработка энергосберегающей схемы разделения трехкомпонентной азеотропной смеси бензолциклогексан-гексан (стр. 2 из 13)
Рис. 2 Схема установки для азеотропной ректификации
1 –ректификационная колонна; 2- колонна регенерации РА; 3 – холодильник; 4 – расслаиватель.
2.1.3. Теоретические основы экстрактивной ректификации
Экстрактивная ректификация (ЭР) весьма часто применима в промышленности и она становится все более и более значимым методом разделения в нефтехимической инженерии. Масштаб отбираемого продукта на промышленном оборудовании варьируется от нескольких килотонн (диаметр колонны около 0,5 м) до сотен килотонн (диаметр колонны около 2,5 м). Процесс главным образом используется в следующих случаях: одним из применений является разделение углеводородов с близкими значениями температур кипения, таких как смеси состава С4, С5, С6 и т.д. Другое – это разделение смесей, образующих азеотроп, например спирт-вода, ацетокислота-вода, ацетон-метанол, метанол-метил-ацетат и т.д.
В ЭР добавляемый растворитель, т.е. разделяющий агент (РА), используется для изменения относительной летучести разделяемых компонентов. Таким образом возможно получить в одной колонне один чистый компонент с верха, а второй вместе с растворителем с низа, которые могут быть легко разделены во второй дистилляционной колонне, благодаря высокой температуре кипения растворителя. В процессе экстрактивной ректификации не обязательно выпаривать растворитель. Тогда как в азеотропной ректификации и растворитель и компоненты должны быть выпарены на верх азеотропной колонны ректификации. Более того, количество растворителя, применяемого в процессе азеотропной ректификации, обычно весьма велико. Это приводит к большему расходу энергии по сравнению с экстрактивной ректификацией. По этой причине, последняя является более предпочтительней. Недавно был предложен особый метод экстракции, адсорбционная экстракция, который представляет некий интерес. [3]
В общем, экстрактивная ректификация является одним из случаев реализации принципа перераспределения полей концентраций. При этом с одной стороны, преобразуется концентрационное пространство за счет добавления одного или нескольких экстрактивных агентов, которое обладает новым фазовым портретом по сравнению с исходным. С другой стороны, за счет разновысотной подачи экстрактивного агента и исходной смеси преобразуется динамическая система ректификации. Последнее порождает экстремумы на температурном профиле, соответствующем распределению компонентов по высоте колонны, что свидетельствует, о наличии элементов обратной ректификации[i],. Разновысотная подача потоков в колонну является обязательным условием реализации принципа перераспределения в данном методе.
В процессах экстрактивной ректификации регенерация разделяющего агента чаще всего не представляет затруднений. В связи с большим различием относительной летучести компонентов заданной смеси и разделяющего агента его регенерация легко осуществляется путем обычной ректификации, в процессе которой он отбирается в виде кубовой жидкости и вновь подается в колонну для экстрактивной ректификации. Традиционный комплекс экстрактивной ректификации состоит из двух ректификационных колонн: экстрактивной и колонны регенерации экстрактивного агента (ЭА). Такой комплекс представлен на рис.(3), где первая колонна является экстрактивной, куда подается тяжело- кипящий разделяющий агент, а сверху отбирается один из азеотропообразующих компонентов; продуктами второй колонны являются второй компонент азеотропной пары (дистиллат) и регенерированный экстрактивный агент (куб), который направляется на рецикл.
Рис.3 Схема установки для экстрактивной ректификации
1 – экстрактивно-ректификационная колонна; 2 – отгонная колонна
2.2. Экстракционное выделение аренов из катализатов риформинга бензиновых фракций.
В качестве экстрагентов аренов в промышленности применяются сульфолан, диэтиленгликоль (ДЭГ), триэтиленгликоль (ТЭГ), тетраэтиленгликоль, N-формилморфолин, диметилсульфооксид, смеси N-метилпирролидона или N-метилкапролактама с этиленгликолем. Важнейшие требования к экстрагентам, от которых зависят степень извлечения и качество выделенных аренов, следующие:
· высокая групповая селективность, которую можно характеризовать отношением коэффициентов активности разделяемых групп углеводородов при бесконечном разбавлении в экстрагенте (предельных коэффициентов активности), например отношением предельных коэффициентов активности циклогексана и бензола (γ0 цг/γ0б);
· высокая растворяющая способность по отношению к аренам, от которой зависит степень их извлечения и требующееся соотношение экстрагента к сырью; растворяющая способность, или «емкость», экстрагента тем выше, чем ниже предельные коэффициенты активности аренов, поэтому ее можно характеризовать величиной, обратной предельному коэффициенту активности бензола в экстрагенте (1/γ0б);
· низкая селективность по молекулярным массам, которая зависит от отношения предельных коэффициентов активности углеведородов – гомологов, напрмер, октана и гептана (lg(γ0окт/γ0гп)); только при этом условии экстрагенты высокой групповой селективностью могут обеспечить высокую степень извлечения и качество не только бензола, но и его гомологов – толуола, ксилолов.
Характеристика промышленных экстрагентов по всем этим важнейшим критериям представлена в табл.1. Некоторые селективные растворители с повышенной растворяющей способностью – N-метилпирролидон, N-формилморфолин, а также диметилформамид – применяются не только в качестве экстрагентов, но и как растворители для выделения аренов С6-С8 из более узкокипящих фракций в процессах экстрактивой ректификации.
Зависимость групповой селективности экстрагентов от температуры представлена на рис.4. С повышением температуры селективность сильно ассоциированных растворителей, в частности этиленгликоля, снижается более резко, чем слабо ассоциированных экстрагентов с повышенной растворяющей способностью, к которым относятся N-метилкапролактам, N-метилпирролидон, диметилформамид, N-формилморфолин.
Табл.1
Предельγные коэффициенты активности углеводородов, селективность экстрагентов по отношению к системе циклогексан-бензол (γ0 цг/γ0б), селективность по молекулярным массам (lg(γ0окт/γ0гп)) и растворяющая способность экстрагентов (1/γ0б)
| Экстрагент | Т,0С | γ0гп | γ0окт | γ0цг | γ0б | γ0 цг/γ0б | lg(γ0окт/γ0гп) | (1/γ0б) |
| Сульфолан | 306080 | 99,060,050,7 | 14180,165,6 | 33,823,019,9 | 2,432,382,49 | 13,99,667,99 | 0,1540,1250,122 | 0,4120,4200,402 |
| N-формилморфолин | 3061,7 | 46,6832,06 | 63,3541,78 | 17,9013,77 | 2,031,99 | 8,826,92 | 0,1330,115 | 0,4930,503 |
| Диметилсульфоксид | 204060 | 1499565 | 22013687 | 46,033,025,0 | 3,833,203,03 | 12,010,38,25 | 0,1690,1590,126 | 0,2610,3120,330 |
| Этиленгликоль | 2040,860 | 1370930457 | 23801440663 | 278258188 | 31,633,332,0 | 8,807,755,88 | 0,2400,1900,162 | 0,0320,0300,031 |
| Диэтиленгликоль | 2560100 | 164,5-- | 260-- | 71,7-- | 6,416,56,2 | 11,2-- | 0,199-- | 0,156-- |
| Триэтиленгликоль | 3080 | 94,540,8 | 13954,5 | 29,315,2 | 3,863,02 | 7,595,03 | 0,1680,126 | 0,2590,331 |
| Тетраэтиленгликоль | 3070 | 57,9- | 85,8- | 18,3- | 2,462,48 | 7,44- | 0,171- | 0,4070,403 |
| N-метилпирролидон | 3060 | 17,711,5 | 21,613,1 | 8,526,30 | 1,081,08 | 7,895,83 | 0,0860,057 | 0,9260,926 |
| N-метилкапролактам | 204060 | 7,96,85,8 | 9,17,16,7 | 4,24,03,3 | 0,850,850,87 | 4,94,73,8 | 0,0610,0190,063 | 1,1761,1761,149 |
| Диметилформамид | 2540 | 22,718,9 | 29,424,2 | 11,69,9 | 1,471,43 | 7,896,92 | 0,1220,107 | 0,6800,699 |
| N-метилморфолинон-3 | 30 | 55,7 | 80,4 | 21,9 | 2,20 | 9,95 | 0,159 | 0,455 |
| N-ацетилоксазолидин | 30 | 40,6 | 52,6 | 17,6 | 1,84 | 9,57 | 0,089 | 0,543 |
| N-метилоксазолидинон-2 | 30 | 53,1 | 70,4 | 21,2 | 1,98 | 10,7 | 0,123 | 0,505 |
| Тиетан-1-оксид | 30 | 59,6 | 79,0 | 21,2 | 1,97 | 10,8 | 0,122 | 0,508 |
| Тиофан-1-оксид | 30 | 38,2 | 53,1 | 14,6 | 1,64 | 8,9 | 0,143 | 0,610 |
| 2-метилтиетан-1,1-диоксид | 30 | 44,2 | 58,8 | 18,1 | 1,90 | 9,53 | 0,124 | 0,526 |
| 2-тетрагидрофурфурил-оксипропионитрил | 30 | 15,6 | 19,6 | 7,10 | 1,17 | 6,07 | 0,099 | 0,855 |
| Цианэтильные производные метилденглицеринов | 3040 | 77,062,8 | 10988,2 | 24,520,8 | 2,262,12 | 10,89,81 | 0,1510,147 | 0,4420,472 |
| Левулинонитрил | 30 | 63,0 | 90,0 | 24,0 | 2,43 | 9,88 | 0,155 | 0,412 |
Рис.4
Зависимость селективности растворителей по отношению к системам гексан-бензол и циклогексан-бензол от температуры
1-сульфолан, 2-диметилсульфоксид, 3 - N-формилморфолин, 4-ТЭГ, 5-этиленгликоль, 6 - N-метилпирролидон, 7 – диметилформамид, 8 - N-метилкапролактам.
По селективности по отношению к системе циклогексан-бензол при 60 0С экстрагенты располагаются в следующий ряд: сульфолан > диметилсульфооксид > N-формилморфолин > ТЭГ ≈ тетраэтиленгликоль ≈ ДЭГ ≈ ЭГ > N-метилпирролидон диметилформамид > N-метилкапролактам.