книги / Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза

ропии. Подобные переходы имеют принципиальное значение в практике ректификации, так как позволяют во многих случаях создавать более благоприятные условия разделения смеси за счет изменения структуры ее диаграммы равновесия. Выявление тан­ генциальных и почти тангенциальных азеотропов (т. е. азеотро­ пов, содержащих ряд компонентов в виде малых примесных кон­ центраций) важно при решении задач, связанных с получением особо чистых веществ.

Таким образом, термодинамико-топологический анализ яв­ ляется областью знаний, в которой сформулированы законы соот­ ношения особых точек различных типов в диаграммах фазового рав­ новесия полиазеотропных многокомпонентных смесей, т.е. законы формирования фазового «портрета» диаграмм. Как же практически использовать основные закономерности и следствия, вытекающие из общих положений термодинамико-топологического анализа?

Основным вопросом организации любого процесса разделения является определение предельно возможных составов получаемых продуктов или отдельных фракций с необходимым выходом. Для любой зеотропной многокомпонентной смеси решение этого во­ проса связано только с эффективностью процесса и протяженнос­ тью аппарата, в котором осуществляется разделение. Правда, часто протяженность оказывается настолько большой, что приходится отказываться от данного метода разделения и заменять его другим методом (например, при ректификации, если относительная лету­ честь разделяемых компонентов очень мала, т. е. близка к едини­ це). В этих случаях теоретически разделение возможно, но практи­ чески трудноосуществимо. Для азеотропных многокомпонентных смесей появляются иные ограничения, связанные с особенностью фазового «портрета» траекторий процесса разделения, причем оп­ ределяющее значение здесь имеет поле равновесных нод. Исследо­ вания допустимых фазовых «портретов» траекторий открытого равновесного испарения показали (см. рис. 4.8), что для большин­ ства диаграмм концентрационный симплекс распадается на ряд об­ ластей дистилляции, причем траектории, принадлежащие каждой из областей, или начинаются, или кончаются в разных особых точ­ ках. Такое «расслоение» концентрационного симплекса, в преде­ лах которого развивается процесс разделения, является характер­ ной особенностью азеотропных смесей.

В общем случае качественный характер расположения пучков траекторий в концентрационном симплексе для процесса дистил­

182 Часть 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

ляции и процесса ректификации (при бесконечном флегмовом чис­ ле с достаточно большим числом ступеней разделения) идентичен.

Как известно, наибольшая эффективность ректификационных колонн достигается при флегмовом числе, равном °°. Сле­ довательно, и возможность достижения того или иного состава азе­ отропной многокомпонентной смеси должна рассматриваться для этого режима. Вместе с тем по мере приближения к азеотропному составу, например бинарной смеси при бесконечном флегмовом числе или при приближении к чистому компоненту, число теоре­ тических тарелок стремится к бесконечности.

Таким образом, предельно достижимые составы необходимо определять в режиме четкой ректификации, при которой число та­ релок и флагмовое число стремятся к бесконечности. Было пока­ зано, что в этом случае фазовые «портреты» траекторий ректифи­ кации качественно подобны фазовым «портретам» траекторий дистилляции, т.е. пучки траекторий этих процессов начинаются и кончаются в одних и тех же особых точках и имеют одну и ту же конфигурацию. Следовательно, процесс ректификации может раз­ виваться в пределах области, границы которой определяются гра­ ницами определенного пучка траекторий. Эти области и были на­ званы областями непрерывной четкойректификации. Если допустить, что количество отбираемого дистиллята и кубового продукта, а так­ же количество подаваемой исходной смеси определенного состава бесконечно мало, то составы дистиллята исходной смеси и кубово­ го продукта будут лежать на одной прямой линии. В то же время составы дистиллята и кубового продукта будут практически при­ надлежать одной и той же траектории ректификации при флегмо­ вом числе, стремящемся к бесконечности.

Последнее позволяет определить предельные значения составов дистиллята и кубового продукта при четком разделении. Можно приближенно выявить все ограничения на составы конечных про­ дуктов непрерывной ректификации, которые обусловлены структу­ рой диаграммы фазового равновесия. Каждая область четкой рек­ тификации имеет точку наинизшей температуры кипения и точку наивысшей температуры кипения. Первая точка соответствует на ди­ аграмме траекторий неустойчивому узлу, вторая —устойчивому. Раз­ деление ректификацией, при котором в качестве дистиллята выде­ ляется смесь или компонент, имеющий наинизшую температуру ки­ пения, принято называть первым заданным разделением. Разделение, при котором в качестве кубового продукта выделяется фракция или

двух составов исходной смеси, лежа­ щих в разных областях ректификации (Fv F2) для тройной системы, диа­ грамма которой принадлежит классу 1 типу 2

компонент, имеющие наивысшую температуру кипения, называется

вторым заданным разделением. Ос­ тальные составы дистиллятов и ку­ бовых продуктов соответствуют про­

межуточным заданнымразделениям. Каждому заданному разделению соответствует свое отношение числа молей кубового продукта к чис­ лу молей дистиллята W/D. На рис. 4.10 для диаграммы класса 1 типа 2 приведены предельные составы дистиллята и кубового продукта для первого и второго заданных четких разделений. Эта диаграмма имеет две области четкой ректификации. В каждой из областей рек­ тификации при переходе от первого заданного разделения ко второ­ му наблюдается вращение линии материального баланса вокруг точ­ ки, соответствующей составу исходной смеси.

На рис. 4.11 представлены крайние и промежуточные заданные разделения для всех диаграмм трехкомпонентных смесей. Таким образом, термодинамико-топологический анализ позволяет уста­ новить все типы диаграмм фазового равновесия, соответствующие смесям, содержащим разное число компонентов. Эта область зна­ ний позволяет при минимальной информации физико-химического характера получить в каждом конкретном случае ограничения на составы получаемых в процессе разделения фракций, обусловлен­ ные азеотропией. В настоящее время созданы алгоритмы и про­ граммы, позволяющие провести термодинамико-топологический анализ с помощью ЭВМ.

МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ И ПРИНЦИПЫ ИХ ВЫБОРА

В производствах основного органического и нефтехимическо­ го синтеза применяются практически все известные методы разде­ ления многокомпонентных смесей на чистые компоненты или фракции веществ.

184 Ча с т ь 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

АЖ,А АЖ,

1.0-16 1.0-2

2.1-За

3.1-4

Рис. 4.11. Диаграммы крайних и промежуточных заданных разделений тройных смесей

Это обусловлено постоянным расширением номенклатуры про­ дуктов промышленного органического синтеза, широким диа­ пазоном свойств синтезируемых веществ и повышением требова­ ний к их чистоте.

Так как при синтезе того или иного продукта получаются слож­ ные многокомпонентные смеси, часто в одном производстве ис­ пользуется несколько методов разделения. Если получаемая смесь многофазна, то на первой стадии производится разделение фаз. От­ деленные одна от другой фазы подвергаются дальнейшему разде­ лению на чистые компоненты или фракции, имеющие товарную ценность.

Все методы разделения распадаются на 3 большие группы:

Ометоды, основанные на различных физических свойствах раз­ деляемых веществ;

в методы, -основанные на фазовых переходах первого рода; © методы, основанные на применении химических реакций.

К первой группе методов относятся: осаждение твердых частиц под действием инерционных сил, фильтрование твердых частиц, очистка газов от пыли промыванием, осаждение частиц в поле элек­ тростатических сил и др.

Использование того или иного метода второй группы чаще все­ го определяется фазовым состоянием разделяемых веществ. Клас­ сификация методов второй группы была предложена В.С. Хайловым и Б. Б. Брандтом. Основные методы разделения, относящиеся к этой группе, применяемые для смесей разного фазового состоя­ ния, приведены ниже:

К третьей группе методов относится хемосорбция и все типы совмещенных реакционно-массообменных процессов, в которых сначала образуется новое соединение с веществами, подлежащими выделению, а потом это соединение разлагается с выделением це­ левого компонента.

Задача, таким образом, сводится к подбору вещества со спе­ цифическими свойствами, которые бы увеличивали коэффициент распределения одного компонента и уменьшали другого, тем са­ мым увеличивая коэффициент относительного распределения раз­ деляемых веществ между фазами.

Различные методы разделения, основанные на фазовых пере­ ходах, можно разделить по их универсальности. На базе одних мето­ дов можно целиком построить схему разделения. Такие схемы назы­ вают однородными, а сами методы обладают большой степенью универсальности. К методам такого типа относится, например, ректи­ фикация и ее различные виды. Другие методы обладают меньшей уни­ версальностью, и их использование приводит, как правило, к разно­ родной схеме разделения, т. е. к необходимости привлечения по крайней мере еще одного метода. Например, абсорбция сопровожда­ ется десорбцией, адсорбция - также десорбцией, экстракция —рек­ тификацией и т. д. Обычно к этой группе относятся методы, в резуль­ тате использования которых получаются новые растворы или смеси, которые подлежат дальнейшему разделению.

Иногда методы разделения, основанные на использовании хи­ мических реакций, относят к методам, связанным с добавлением новых веществ в разделяемую смесь. Основанием для такой клас­ сификации служит тот факт, что специфические взаимодействия добавляемых веществ с компонентами разделяемой смеси могут включать межмолекулярные взаимодействия физико-химического характера, образование водородных связей, тг-комплексов, а также образование стойких химических соединений. Для использования химических методов разделения необходимо изучить кинетику про­ текающей химической реакции, а также выбрать способ разложе­ ния получаемого химического соединения на последующих стади­ ях с выделением целевого продукта.

Из методов разделения, базирующихся на перераспределении вещества в среде, наиболее широкое распространение в отрасли ос­ новного органического и нефтехимического синтеза могут полу­ чить следующие: разделение испарением через полунепроницаемую мембрану, ультрафильтрация и обратный осмос.

В процессе создания схемы разделения инженер-технолог, исходя из поставленных целей, вынужден обращаться к различным методам разделе­ ния, учитывая при этом возможности каждого метода. Необходимо также принимать в расчет:

188 Ча с т ь 1. Теоретические основы технологии крупнотоннажных ...

®свойства разделяемой смеси, ее агрегатное состояние, число фаз, степень идеальности;

®возможность достижения заданного разделения, требуемой чисто­ ты выделяемых веществ и выхода по целевым продуктам и фрак­ циям; энергоемкость того или иного метода;

®экологическую чистоту метода;

®возможность организации непрерывного процесса разделения;

®возможность выбора аппаратов необходимой единичной мощности;

®простоту в управлении процессом разделения.

Естественно, задача выборатого или иного метода разделения поливариантна, т. е. имеет множество решений. Степень удовлетворения этих решений перечисленным выше требованиям и определяет набор тех или иных методов разделения для достижения поставленных целей. Обычно в практике стремятся минимизировать набор методов разделения. Основ­ ная стратегия выбора, например для жидких смесей, заключается в том, что перебор начинают с наиболее простых, весьма распространенных ме­ тодов, дающих однородные схемы (дистилляция, ректификация). Затем обращаются к специальным методам разделения (экстрактивная ректи­ фикация, экстракция, разделение с варьированием давления). И наконец, рассматривают методы с использованием химической реакции.____

РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ

Для разделения зеотропных смесей методом ректификации обычно используют определенные последовательности ректифи­ кационных колонн, в каждой из которых осуществляется выделение отдельного продукта или продуктовой фракции.

Основной особенностью схем разделения зеотропных смесей яв­ ляется отсутствие потоков (рециклов), идущих из последующих ко­ лонн в предыдущие. В общем случае даже для смесей зеотропных, как правило, используют более сложные разделительные системы, имеющие обратные связи материальных и тепловых потоков. Отказ от применения простых, последовательно связанных колонн, и пе­ реход к системам с обратными связями определяется для зеотроп­ ных смесей стремлением уменьшить энергетические затраты на раз­ деление, на которые приходится основная доля всех затрат.

Уменьшение энергозатрат может быть здесь достигнуто за счет использования комплексов с рекуперацией тепла, комплексов с об­ ратимым смешением потоков, комплексов со связанными и частич­