Введение к работе
Актуальность работы. Сложные эфиры находят широкое применение в разных отраслях промышленности. Одним из наиболее распространенных методов их получения является этерификация. На стадии разделения продуктов, в той или иной степени, возникает проблема выделения эфира, поскольку большинство промышленно важных сложных эфиров образуют азеотропы с остальными компонентами реакционной смеси. Для разделения таких смесей часто используют экстрактивную ректификацию (ЭР), которая является энергоёмким процессом. Одним из способов снижения энергозатрат является приближение процесса к термодинамически обратимому, что на практике часто достигается посредством использования комплексов с частично связанными тепловыми и материальными потоками. В работе предложен формализованный алгоритм синтеза таких схем и проведена оценка их энергетической эффективности.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 08-08-00318-а).
Цель работы. Разработка энергосберегающих схем с частично связанными тепловыми и материальными потоками для разделения смесей спиртов и их сложных эфиров экстрактивной ректификацией.
Для достижения поставленной цели необходимо решение ряда конкретных задач:
-
Разработка формализованного алгоритма синтеза схем экстрактивной ректификации многокомпонентных смесей с одним бинарным азеотропом как в последовательности двухотборных колонн, так и в последовательностях, включающих комплексы с частично связанными тепловыми и материальными потоками (ЧСТМП).
-
Демонстрация работоспособности алгоритма на примере разделения модельной смеси метанол (МС) - изобутанол (ИБС) - изобутилацетат (ИБАц) с разделяющим агентом (РА) н-бутилпропионатом (БП).
-
Разработка энергосберегающих технологических схем экстрактивной ректификации (ТСЭР), включающих комплексы с ЧСТМП для разделения спиртов и их сложных эфиров.
4. Определение энергетической эффективности использования комплексов с ЧСТМП для экстрактивной ректификации бинарных азеотропных смесей типа спирт-эфир с различными разделяющими агентами, а также сопоставление по критерию энергозатрат на разделение всех схем экстрактивной ректификации смеси МС-ИБС-ИБАц с РА БП.
Методы исследования. В работе использовано математическое моделирование ТСЭР и парожидкостного равновесия, термодинамико-топологический анализ, теория графов, расчётный эксперимент.
Научная новизна. Предложены алгоритмы генерации ТСЭР w-компонентных смесей с одним бинарным азеотропом, основанные на матричном представлении этих схем, эквивалентном графовому. Описание алгоритмов ориентировано на разработку соответствующих компьютерных программ.
Выявлено, что основным фактором, определяющим энергоэффективность применения комплексов с ЧСТМП в технологиях ЭР смесей спирт-ацетат, является величина флегмового числа в колонне регенерации традиционной схемы. На примере разделения смесей метилацетат (МАц) - метанол с РА этиленг-ликолем (ЭГ), этилацетат (ЭАц) - этанол (ЭС) с РА пропиленгликолем (ПГ) и диметилсульфоксидом (ДМСО) и изобутанол-изобутилацетат с РА БП и диме-тилформамидом (ДМФА) показано, что при малых значениях флегмового числа в колонне регенерации традиционной схемы использование ЧСТМП малоэффективно.
Установлено, что при разделении многокомпонентных азеотропных смесей методом ЭР наблюдается аддитивный эффект при применении теплоинте-грации между отдельными ректификационными колоннами схемы.
Практическая значимость. Разработаны технологические схемы с ЧСТМП и предложены их рабочие и конструктивные параметры, обеспечивающие снижение энергозатрат на разделение в системе ИБС-ИБАц на 20.2 и 29.2 %, по сравнению с комплексами из двухотборных колонн, для РА БП и ДМФА, соответственно.
Разработаны энергосберегающие схемы экстрактивной ректификации трёхкомпонентной смеси метанол-изобутанол-изобутилацетат, обеспечиваю-
щие снижение энергозатрат до 35 % по сравнению с комплексом из двухотбор-ных колонн.
Отдельные результаты работы включены в учебное пособие «Синтез схем экстрактивной ректификации трёхкомпонентных азеотропных смесей», которое может быть использовано студентами при выполнении квалификационных работ.
Апробация работы. Отдельные разделы диссертации докладывались на: XIII Международной научно-технической конференции «Наукоёмкие химические технологии - 2010» (Суздаль, 2010 г.); 18-й Международной конференции «Математика. Компьютер. Образование» (Пущино, 2011г.); IV Молодёжной научно-технической конференции «Наукоёмкие химические технологии -2011» (Москва, 2011г.); Международной конференции по химической технологии «XT'12» (Москва, 2012 г.); Международном конгрессе по химической технологии (Севилья, 2012 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, в том числе 6 статей в рецензируемых журналах, тезисы 5 докладов на научных конференциях и 1 учебное пособие.
Объём и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, библиографического списка и 7 приложений, напечатанных отдельным томом. Диссертация изложена на 197 страницах машинописного текста, содержит 62 таблицы, 89 рисунков и библиографию из 118 наименований.
