Разработка ресурсосберегающего процесса очистки хлороформа от примесей экстрактивной ректификацией тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Хитров, Николай Вячеславович

• Хитров, Николай Вячеславович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хитров, Николай Вячеславович

Введение

Глава 1 Литературный обзор

1.1. Основы экстрактивной ректификации

1.2. Основное уравнение теории экстрактивной ректификации

1.3. Механизм действия разделяющих агентов и критерии их вы- 15 бора

1.4 Выбор разделяющих агентов

1.5. Методы выбора разделяющих агентов по данным о свойствах 21 растворов

1.6. Расчет парожидкостного равновесия

1.7. Использование модели HRTL для учета неидеальности жид- 29 кой фазы

1.8. Равновесные модели процесса ректификации

1.9. Высокопористый ячеистый кислотостойкий носитель

Глава 2 Выбор технологической схемы очистки хлороформа экстрактивной ректификацией

2.1. Описание принципиальной технологической схемы

Глава 3 Экспериментальная часть

3.1. Экспериментальная схема установки для определения фазово- 40 го равновесия

3.2. Гидродинамическая характеристика насадки на основе 43 ВПЯКМ

3.3. Эффективность насадки на основе ВПЯКМ 52 3.5. Экспериментальная проверка процесса очистки хлороформа от примесей экстрактивной ректификацией

Глава 4 Математическое моделирование процессов ректификации. 59 Расчетная часть.

4.1. Подбор разделяющего агента

4.2. Алгоритм расчета парожидкостного равновесия по методу 66 НРТЛ

4.3. Результаты расчета парожидкостного равновесия по методу 67 НРТЛ

4.4. Модель разделения

4.5. Алгоритм расчета (метод релаксации)

4.6. Расчет схемы производства хлороформа

4.7. Расчет колонны отделения четыреххлористого углерода

4.8. Расчет колонны экстрактивной ректификации

4.9. Расчет ректификационной колонны выделения хлороформа 116 товарной чистоты

4.10. Исследование процесса на полистационарность

Глава 5 Определение технологических параметров колонны. Эконо- 140 мическая часть

5.1. Расчет технологических параметров колонн

5.2. Экономическая часть 141 Выводы 145 Литература 146 Приложения

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка ресурсосберегающего процесса очистки хлороформа от примесей экстрактивной ректификацией»

Современный научно-технический прогресс в химической промышленности обусловлен развитием сложных высокоэффективных технологических схем, проектирование и управление которыми осуществимо только путем интеграции последних научных достижений с использованием высокопроизводительных ЭВМ.

Производство хлороформа путем хлорирования метана существует на ряде предприятий химической отрасли (например, на ОАО «Химпром», г. Новочебоксарск). При этом кроме целевых продуктов метиленхлорида, хлороформа и четыреххлористого углерода также образуются примеси соединений этан - этиленового ряда, которые ухудшают качество получаемых продуктов. Основную трудность представляет очистка от близкокипящих к хлороформу примесей, в частности, 1,1-дихлорэтана и цис-дихлорэтилена.

Используемый в настоящее время химический метод очистки хлорме-танов - олеумная очистка от этих примесей трудоемка, отличается большим расходом реагентов и количеством образующихся отходов (до 240 кг отработанной серной кислоты и около 1 мЗ сточных вод на одну тонну хлороформа). Поэтому поиск других альтернативных методов очистки хлороформа от примесей является актуальной проблемой.

Одно из важнейших мест в современных химических производствах занимают процессы разделения. Как правило, эти производства являются достаточно сложными и энергоемкими. Самой распространенной проблемой является отделение близкокипящих компонентов. Разделение таких компонентов можно проводить с помощью экстрактивной ректификации, солевой ректификацией, азеотропной ректификацией, перегонкой с водяным паром.

В работе предложен новый способ получения хлороформа товарной чистоты, с использованием экстрактивной ректификации. В качестве сырья для экстрактивной ректификации используется реакционная масса, получаемая после выделения метиленхлорида и четыреххлористого углерода. Экст-рагентом был предложен этиленгликоль и 2-феноксиэтанол.

Целью диссертационной работы является разработка ресурсосберегающего процесса очистки хлороформа от примесей 1,1 - дихлорэтана и цис-дихлорэтилена методом экстрактивной ректификации.

На основании полученных экспериментальных данных по фазовым равновесиям путем математического моделирования процесса доказана возможность получения продуктового хлороформа в схеме, включающей колонну экстрактивной ректификации и две ректификационные колонны выделения четыреххлористого углерода и очистки продуктового хлороформа. Получены оценки оптимальных параметров колонн для производства хлороформа товарного качества. При исследовании работы колонны экстрактивной ректификации изучены особенности разделения близкокипящих компонентов экстрактивной ректификацией, заключающиеся: 1) в наличии малолетучего разделяющего агента; 2) в необходимости создания высоких концентраций разделяющего агента по высоте колонны; 3) в существовании потерь разделяющего агента и необходимости его регенерации. Одновременно решены задачи снижения материальных и энергетических затрат при получении продукта высокого качества по безотходной технологии.

Научная новизна результатов работы заключается в следующих положениях, следствиях и обобщениях:

1. Впервые разработана технологическая схема очистки хлороформа от близкокипящих примесей с использованием нового разделяющего агента -2-феноксиэтанола.

2. Впервые на пилотной установке получены экспериментальные данные о гидродинамических характеристиках новой насадки на основе высокопористого ячеистого керамического материала (ВПЯКМ).

3. Впервые на пилотной установке установлена зависимость разделяющей способности новой насадки на основе высокопористого ячеистого керамического материала (ВПЯКМ) от нагрузки по паровой фазе.

4. На основании экспериментальных исследований предложено использовать насадку основе высокопористого ячеистого керамического материала (ВПЯКМ) для проведения экстрактивной ректификации смеси хлороформ - 1,1-дихлорэтан - цис-дихлорэтилен.

5. С использованием математической модели проведено исследование схем очистки хлороформа от примесей и выбран наилучший разделяющий агент с минимальными затратами на процесс.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложений и списка литературы из 107 наименований.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Хитров, Николай Вячеславович

ВЫВОДЫ

1. Для очистки хлороформа от близкокипящих примесей на основании исследования фазовых равновесий исходной смеси с различными разделяющими агентами предложен новый разделяющий агент - 2-феноксиэтанол.

2. Исследовано применение новой насадки на основе высокопористого ячеистого керамического материала (ВПЯКМ) для проведения процессов ректификации и показана ее эффективность (ВЭТТ).

3. Выполнена экспериментальная проверка отделения примесей 1,1-дихлорэтана и цис-дихлорэтилена от хлороформа в колонне экстрактивной ректификации (разделяющий агент — 2-феноксиэтанол) и показана эффективность применения метода.

4. Выполнено моделирование трехколонной5 схемы очистки хлороформа с использованием в качестве разделяющих агентов этиленгликоля и 2-феноксиэтанола и показано, что они дают близкие технологические показатели.

5. Проведено экономическое сравнение схем разделения с использованием этиленгликоля и 2-феноксиэтанола и показано преимущество применения 2-феноксиэтанола;

6. Проведено экономическое сравнение по капитальным затратам схем; ректификации с использованием тарельчатых колонн и колонн с насадкой на основе ВПЯКМ и показана значительная экономия материальных ресурсов при использовании насадки на основе ВПЯКМ.

7. Полученные режимные и конструктивные параметры предлагаемой схемы очистки хлороформа предложены для включения в план техперевору-жения ОАО «Химпром», г. Новочебоксарск.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хитров, Николай Вячеславович, 2008 год

1. В. Б. Коган, ЖПХ, 30, 1863 (1957).

2. А. М. Розен, ДАН СССР, 81, 863 (1951).

3. F. Н. Garner, S. R. М. Ellis, Trans. Inst. Chem. Eng. (London), 29,45 (1951).

4. В.Б. Коган, Хим. Пром., №6, 356 (1957).

5. Сб. «Физическая химия разделения смесей», вып. 1, ИЛ, 1949.

6. Перегонка, под ред. А. Вайсберга. ИЛ, 1954.

7. М. Benedict, L.C. Rubin, Trans. Am. Inst. Chem. Eng., 41, 353 (1945).

8. A. P. Colburn, E. M. Shoenburn, idid., 41, 421 (1945).

9. E. G. Scheibel. Principles of extractive distillation// Chem. Eng. Progr.,1948, V.44, N11.

10. A. P. Colburn, Canad. Chem. Proc. Ind., 34, 286 (1950).

11. G. Kortum, Chem. Ztg., 74, 151 (1950).

12. H. H. M. Jones, Chem. Proc. Eng., 33, 494 (1952).

13. H. H. M. Jones, Chem. Proc. Eng., 34, 350, 359 (1953).

14. H. H. M. Jones, Chem. Proc. Eng., 34, 381 (1953).

15. A. Paris, Ind. Chim., 40, 91 (1953).

16. С. H. Обрядчиков, Производство моторных топлив, Гостоптехиздат,1949.

17. В. Б. Коган, В. М. Фридман, В. В. Кафаров, равновесие между жидкостью и паром, Изд. «Наука», 1967.

18. М. R. Fenske, С. S. Carlson, D. Quiggle, Trans. Am. Inst. Chem. Eng., 43, 1322(1947).

19. E.F.G. Herington. Vapour liquid equilibrium relationships in extractive distillation//Nature, 1952. V.170, № 4335, P.935.

20. Д. Г. Гильдебранд, Растворимость неэлектролитов, Госхимиздат, 1938.

21. В. Б. Коган, ЖФХ, 29, №8,1470 (1955).

22. В. В. Кафаров, Л. А. Гордиевский, ЖПХ, 28, 176 (1956).

23. Л. Хорсли, Таблицы азеотропных смесей, ИЛ, 1951.

24. M. Margules, Sitzungsber. Akad. Wiss. Wien, Math. Naturw., 1046 1243 (1895).

25. J. J. Van Laar, ibid., 72, 723 (1910).

26. J. Zawidski, Z. phys. Chem., 35, 129 (1900).

27. И. P. Кричевский, Я. Казарновский, ЖФК, 5 122 (1934).

28. С. К. Огородников, В. Б. Коган, М. С. Немцов, ЖПХ, 34, 323 (1961).

29. Н. Л. Ярым-Агаев, Е. А. Коган, ЖФХ, 30, 160 (1937).

30. Праузниц Дж. М., Машинный расчет парожидкостного равновесия. М.: Химия, 1971.

31. G. М. Wilson, J. Am. Chem. Soc., 86, №2, 127 (1964).

32. Berman S., Isbenjian H., Sedoff A., Othmer D.F. Esterification. Continuous production of Dibutyl phthalate in a distillation column. Industrial and Engineering Chemistry, 1948, 40, pp. 2139-2148.

33. J. Marek Rectification with a chemical reaction. Calculation of the number of theoretical plates for continuous plate columns.// Coll. Czech. Chem. Comm., 1954, V. 19, №8, P. 1055-1073.

34. Belck L. H. Continuous reactions in distillation equipment. American Institute of Chemical Engineers Journal, 1955, 1, 467-470.

35. Komatsu H. Application of the relaxation method of solving reacting distillation problems. Journal of Chemical Engineering Japan, 1977, 10, pp. 200-205.

36. Jelinek J., Hlavacek V. Steady state countercurrent equilibrium stage separation with chemical reaction by relaxation method. Chemical Engineering Communications, 1976, 2, pp. 79-85.

37. Фаррауто Р.Дж., Хек P.M. Блочные катализаторы: настоящее и будущее поколения. / Кинетика и катализ. 1998. -Т.39. -С.646 - 652

38. Козлов А.И. Высокопористый ячеистый керамический материал. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. РХТУ им. Д.И. Менделеева. М.: 2006 г.

39. С.К. Buell, R.G.Boatright. Furfural extractive distillation for separating and purification of C4 hydrocarbons// Ind. Eng. Chem., 1947, V.39, N.3, P. 695-698.

40. А.С. Мозжухин, А.И. Сеченых. Полистационарность в непрерывной ректификации и реализация выбранного стационарного состояния. // Теор. основы хим. технол. 2000. Т. 34. №2.

41. Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты. 3-е изд., пер.-М.: Химия, 1978.280 с.

42. Анциферов В.Н., Порозова С.Е. Высокопористые проницаемые материалы на основе алюмосиликатов. Пермь: Изд-во Пермского тех. ун-та, 1996, 206 с.

43. Багатуров С.А. Основы теории и расчета перегонки и ректификации. М.: Химия, 1974. 439с.

44. Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии — М.: Химия, 1975.575с.

45. Ванчурин В.И., Беспалов А.В, Бесков B.C. Гидродинамические свойства блочных сотовых структур. // Химическая промышленность, 2001, №8

46. Гельперин Н.И. Дистилляция и ректификация, Госхимиздат, 1947.

47. Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. Кн. 1,2 -М.: Химия, 1981.812с.

48. Дытнерский Ю.А. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию/ Г.С.Борисов, В.П. Брыков-М.: Химия, 1991. 496с.

49. Жаров В.Т., Серафимов JI.A. Физико-химические основы дистилляции и ректификации. Л: Химия, 1975. -240 с.

50. Зарецкий М.И. Разработка научных основ новой технологии селективного разделения смесей органических соединений с близкими физико-химическими свойствами. Автореф. дисс. . докт. хим. наук. М.: МИТХТ, 1990.

51. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. 9-е изд., пер. и доп.- М.: 1973. -754с.

52. Кафаров В. В. Основы массопередачи. -М.: Высшая школа, 1979.I

53. Кафаров В.В. и др. Принципы математического моделирования химико-технологических систем / В.В. Кафаров, B.JI. Перов, В.П. Мешалкин.- М.: Химия, 1974/344 с.

54. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии: 4-е изд., перераб., доп.- М.: Химия, 1985.448с.

55. Кафаров В.В., Гордиевский, Л.А. Основные принципы выбора растворителя для разделения азеотропных систем методом экстрактивной дистилляцией//Журнал Прикладной Химии, 1956, №2. с. 176 183 с.

56. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. Анализ и синтез химико-технологических систем. Учебник для вузов.- М.: Химия, 1991.-432 с.

57. Кафаров В.В., Мешалкин В.П. Гурьева Л.В. Оптимизация теплообменных. процессов и систем. М.гЭнергоатомиздат. 1988.192с.

58. Кива В.Р., Кириченко Г.А. Особенности ректификации с двух поточной подачей питания./ В кн. :Нефтехимические процессы в многофазных системах. Сб. научных трудов. М.: ЦНИИТЭНЕФТЕХИМ, 1980. - с. 31-44.

59. Кисельников В.Н.Основы теплопередачи и расчета тепловых аппаратов химической промышленности. -Иваново: ИХТИ, 1977.103 с.

60. Коган В.Б. Азеотропная и экстрактивная ректификация. —Л.: Химия, 1971.- 432 с.

61. Коган В.Б. Азеотропные смеси / С.К.Огородников Л.: Химия, 1971 848с.

62. Коган В.Б. К теории экстрактивной ректификации// Журнал прикладной химии, 1957, №12. с. 1863-1866

63. Коган В.Б. О выборе разделяющих агентов для процессов экстрактивной ректификации//Химическая промышленность, 1957, №6. с.356-361.

64. Коган В.Б. О связи между растворимостью и относительной летуче-стью.//Журнал физической химии, 1955, №8. с. 1470-1476.

65. Коган В.Б. Справочник по растворимости/ В.М. Фридман, В.В. Кафаров// Справочное пособие 1962 - Т. 1,2. - 1024с.

66. Колбурн А.П., Шенборн Е.М. Выбор разделяющих агентов для азеотроп-ной и экстрактивной'дистилляции и для экстракции жидкости жидкостью/ «Физическая химия ^разделения смесей» Сб. №1. Пер. с англ. М.Э. Аэрова. -М.: Изд. Иностр. лит-ры. -1949. с. 124-151.

67. Колонные аппараты: Каталог. 2-е изд.-М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1978.31 с.

68. Краткий справочник физико-химических величина Учебное пособие для-вузов/Под. ред. В.Г. Равделя Д.: Химия, 1983г.212с

69. Кутателадзе- С.С. Основы теории, теплообмена, 5-изд.-М.:Атомиздат, 1979.415с.

70. Г. Кутепов A.M. и др. Гидродинамика и теплообмен при парообразовании/ A.M. Кутепов, JI.C. Стерман; Н.Г. Стюшин.- М.: Высшая школа, 1977.352с.

71. Л.А. Серафимов, Г.И. Тациевская, А.К. Фролкова. Гетерогенные системы экстрактивной ректификации с одним нелетучим* компонентом // Теор. основы хим. технол. 2004. Т. 38. №2.

72. Л.А. Серафимов, Г.И. Тациевская, А.К. Фролкова: Гетерогенные четырех компонентные системы экстрактивной ректификации с одним нелетучим компонентом // Теор. основы хим. технол. 2004. Т. 38. №5.

73. Л.А. Серафимов, Г.И. Тациевская, А.К. Фролкова: Системы экстрактивной ректификации с нераспределенными-между фазами разделяющими агентами // Теор. основы хим.- технол. 2004. Т. 28. №1.

74. Львов С.В. Некоторые вопросы ректификации бинарных и многокомпонентных смесей. М: Изд. АН СССР, 1960. 161с.

75. М. Б. Глебов, В. В. Кафаров. Математическое моделирование основных процессов химических производств. М.: Высшая школа, 1991.

76. Методические указания по расчету процесса жидкофазной экстракции. -М. МХТИ, 1983.

77. Мешалкин В.П. Кафаров В.В. Методы автоматизированного синтеза высокоэффективных теплообменных систем и систем ректификации. Сер.: Современные проблемы химии, и* химической промышленности. М.: НИИТЭ-ХИМ. 1983.Вып.12 (150).50 с.

78. Михатьев В.Б. Эфиры гликолей / О.Н. Михатьева. В.: ВГУД984. - 179с.

79. Мухленов И.П. Общая химическая технологи. Т.1,2. 4-е изд.- М.: Высшая школа, 1984.256+263с.

80. Носов Г.А., Бубенцов В.Ю. Разделение и очистка веществ путем сочетания различных массообменных процессов. Тез. докл. III межд. конф. «Наукоемкие химические технологии». Тверь, 1995. с. 52-53.

81. Основы химической технологии / И. П: Мухленов, А. Е. Горштейн, Е.С.Тумаркина, В.Д.Тамбовцева.З-е зд. -М.: Высшая школа, 1983.335 с.

82. Отраслевой стандарт. «Аппараты колонные тарельчатые, метод технологического и гидродинамического расчета» / ОСТ 26-01-1488-83. Министерство химического и нефтяного машиностроения, 1983. 120с.

83. Павлов К.Ф. Примеры и задачи по курсу "Процессов и аппаратов химической технологии": учеб. пособие/ П.Г. Романков,* А.А. Носков М.:РХТУ им. Д.И: Менделеева, 2004. - 576с.

84. Пирог JI.A. Оценка эффективности агентов при разделении-неидеальных смесей экстрактивной ректификацией. Дисс. канд. техн. наук. М.: МИТХТ, 1987.

85. Плановский* А.Н., Николаев П.И.Процессьг и аппараты химической, и нефтехимической технологии. 3-е изд., пер. и доп:-М:: Химия, 1987.540с.

86. Полякова Е.В:, Павленко Т.Г., Кулабухова Н.П., Тимофеев B.C., Серафимов JI.A. Исследование особенностей процесса- ректификации гетероазео-тропных смесей// Сб. трудов «Физико-химические основы ректификации» -М: МИХМ. 1977.-С.160-170.

87. Пономарев В.Н., Саксонова О.И., Тимофеев B.C. Полистационарность в процессах непрерывной ректификации. // Теор. основы хим. технол. 1996. Т. 30. №4.

88. Промышленные хлорорганические продукты: Справочник// Под общ. Ред. JI.A. Ошина. М.: Химия, 1978. 360 с.

89. Рабинович Г.Г., Рябых П.М., Хохряков-П.А., Молоканов Ю.К. и др. Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки. Справочник. М.: Химия, 1979.568 с.

90. Рамм В.М. Абсорбция газов. М.: Химия, 1966.766с.

91. Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л.: Химия, 1982.592с.

92. Розен A.M. Термодинамические предпосылки дистилляции с третьим компонентом// Доклады Академии наук СССР, 1951, №5. с.863-866.

93. Романков П.Г., Курочкина М.И. Расчетные диаграммы и номограммы по. курсу «Процессы и аппараты химической промышленности». -Л.: Химия, 1985, 56 с.

94. Скобло А.И., Трегубова И.А., Молоканов Ю.К. Процессы и аппараты нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1982 - 584 с, 363 ил.

95. Стандартные кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего назначения. Каталог. 3-е изд.-М.: Изд-во ЦИНТИхимнефемаш, 1982.32с.

96. Фрэнке Р. Математическое моделирование в химической технологии. -М.: Химия, 1971.

97. Э. Хала, И. Пик, В. Фрид, О. Вилим: Равновесие между жидкостью и паром. ИЛ, М., 1962.

98. Гордеев JI.C., Глебов М.Б., Хитров Н.В. Разработка энергосберегающей, экологически безопасной технологии очистки хлороформа. // Химическая промышленность сегодня, 2007, № 9, с. 31-37.

99. Gordeev L.S., Glebov М.В., Koltsova Е.М., Hitrov N.V. // European Congress of Chemical Engineering 6, Copenhagen, 16-21 September 2007, Proceedings.

100. Саркисов П.Д., Гордеев Л.С., Глебов М.Б., Ефремов А.И., Хитров Н.В. Способ очистки хлороформа. Заявка на патент № 2007110272 от 20.03. 07 г.

101. Пат. РФ 2288911, 2006г. Способ каталитического жидкофазного гидрирования 2',4',4- тринитробензанилида. Козлов А.И., Грунский В.Н., Беспалов А.В., Аникин Н.И., Татаринова И.Н., Жубриков А.В., Хитров Н.В., Ефремов А.И., Стародубцев B.C.

102. Пат. РФ 2309142, 2007г. Способ каталитического нитрования ароматических соединений на ячеистом высокопористом катализаторе. Козлов А.И., Грунский В.Н., Збарский В.Л., Стародубцев B.C., Ефремов А.И., Хитров Н.В., Жубриков А.В.