Введение к работе
Актуальность проблемы
Выделение целевых продуктов из реакционной смеси производств основного органического синтеза, регенерация растворителей, в среде которых получают лекарственные средства, разделение жидких смесей, представляющих отходы химических предприятий, требует наличия эффективного узла разделения. Различные специальные приемы ректификационного разделения позволяют значительно сэкономить (до 15-20%) энергозатраты на этой технологической стадии.
При разработке технологий разделения многокомпонентных многофазных систем зачастую возникают трудности исследования фазовых диаграмм такого рода систем. А между тем использование эффекта самопроизвольного расслаивания, не требующего дополнительных энергетических затрат, напрямую связано с созданием энергосберегающих схем разделения. Исследование специфических закономерностей фазовых равновесий сложных многокомпонентных многофазных систем и выявление взаимосвязи структур фазовых диаграмм со структурой схемы разделения являются актуальными научными проблемами. Выявление общих признаков во всем многообразии свойств бинарных и многокомпонентных систем и их классификация способны упростить задачу исследования структуры диаграммы фазового равновесия смеси с любым числом компонентов.
Изучение диаграмм различных изомногообразий позволяет получить полное представление о характере поведения конкретной системы и возможностях её разделения, определить общие фундаментальные закономерности, выработать единые методики и алгоритмы исследования, и в конечном итоге квалифицировано решить задачу синтеза технологической схемы разделения.
Целью работы является дальнейшее развитие физико-химических основ разделения расслаивающихся смесей и создание новых подходов к систематизации термодинамических данных и классификации структур диаграмм фазовых равновесий на основе различных признаков для повышения качества предпроектной разработки эффективных схем разделения.
Для достижения указанной цели необходимо решить ряд конкретных задач:
Выявить полное множество диаграмм фазового равновесия бинарных систем.
Создать подход, позволяющий провести синтез диаграмм расслаивания трехкомпонентных систем, учитывающий наличие двух областей расслаивания в бинарных составляющих. Разработать классификацию диаграмм расслаивания трехкомпонентных систем, охватывающую все многообразие подобных систем.
Исследовать особенности формирования поверхности избыточного потенциала Гиббса над концентрационным симплексом расслаивающихся систем.
Проиллюстрировать применимость автогетероазеотропной ректификации на примере синтеза технологической схемы разделения промышленной смеси ацетон - диизопропиловый эфир - изопро-пиловый спирт - вода, являющейся результатом функционирования технологической схемы получения изопропилового спирта методом прямой гидратации пропан-пропиленовой фракции.
Методы исследования
Для решения поставленных задач в работе использованы фундаментальные закономерности термодинамики гетерогенных систем, методы математического моделирования и вычислительный эксперимент с применением современных программных продуктов.
Научная новизна
Выявлено полное множество диаграмм фазового равновесия бинарных систем, охватывающее всё многообразие их фазового поведения: характер отклонения от идеального поведения, отсутствие/наличие азеотропии (моно-, би-, триазеотропия), отсутствие/наличие областей расслаивания (одной или двух). Составлен атлас диаграмм бинарных систем, насчитывающий 61 диаграмму.
Составлен атлас диаграмм состояния трехкомпонентных систем, различающихся взаимным расположением разного числа областей
двух- и трехфазного расслаивания. Предложена классификация диаграмм состояния трехкомпонентных систем.
Установлены особенности формирования поверхности избыточного потенциала Гиббса над концентрационным симплексом, а также структуры диаграмм у-линий тройных расслаивающихся систем. Доказана работоспособность методики выявления областей возможного существования тройных гетероазеотропов в системах, характеризующихся наличием области двухфазного расслаивания закрытого типа.
На основе изучения эволюции диаграмм у-линий при изменении внешних условий сформулировано необходимое условие появления/исчезновения тройного гетероазеотропа.
Практическая значимость
Предложенная классификация позволяет объединить системы со схожими свойствами в группы, классы с выделением типов и подтипов с возможностью предсказания свойств других систем из данной группы, что позволяет осмысленно подходить к исследованию физико-химических свойств смесей и квалифицированно решать задачу синтеза технологических схем разделения.
Предложена технологическая схема разделения промышленной смеси ацетон - диизопропиловый эфир - изопропиловый спирт -вода, образующейся при получении изопропилового спирта прямой гидратацией пропан-пропиленовой фракции на предприятиях ЗАО «Завод синтетического спирта» (г. Новокуйбышевск) и ЗАО «Нефтехимия» (г. Новокуйбышевск). Получены режимные параметры устойчивой работы технологической схемы.
Работа выполнялась в рамках гранта РФФИ (проект № 10-08-00785-а).
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на XIII Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии - 2010» (Суздаль, 29 июня - 2 июля 2010). Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и трех приложений. Работа изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 66 рисунков и 22 таблицы. Библиография составляет 181 наименование.
