Определение оптимальных рабочих параметров экстрактивной ректификации по схеме с использованием разделяющего агента в первой колонне

Принципиальная технологическая схема ректификации азеотропной смеси циклогексан-бензол–этилбензол–н-пропилбензол с использованием анилина в качестве разделяющего агента приведена на рис.7.

Рис. 7. Технологическая схема ЭР с применением ЭА в первой колонне

Технологическая схема представляет собой последовательность из четырех ректификационных колонн. Две первые колонны составляют традиционный комплекс экстрактивной ректификации, необходимый для разделения азеотропообразующей пары компонентов. Согласно классификации схем экстрактивной ректификации данный вариант организации процесса относится к группе схем с использованием разделяющего агента на первом этапе и, следовательно, выделением азеотропообразующего компонента в первой колонне.

Рассмотрим работу установки более подробно. В колонне 1 осуществляется разноуровневая подача: разделяющий агент подается в верхнюю часть, а исходная смесь – в среднюю часть колонны. Под действием ЭА происходит изменение относительной летучести компонентов исходной смеси, в результате в качестве дистиллята отбирается практически чистый высококипящий компонент – циклогексан. Кубовая жидкость, содержащая анилин и бензол, направляется на разделение в колонну 2. В колонне регенерации экстрактивного агента анилин выделяется в качестве нижнего продукта и возвращается в верхнюю часть колонны 1, образуя рецикл. Верхний продукт колонны 2, содержащий бензол, этилбензол и пропилбензол далее разделяется в последовательности простых двухсекционных колонн, работающих в режиме первого заданного разделения.

Нами была проведена параметрическая оптимизация комплекса экстрактивной ректификации с целью снижения энергозатрат на разделение.

Первоначально мы определили оптимальную совокупность рабочих параметров колонны экстрактивной ректификации. Известно, что энергоемкость разделения в колонне экстрактивной ректификации при фиксированных количестве, составе и температуре исходной смеси и заданном количестве продуктовых потоков зависит от температуры и расхода ЭА, а также от уровня ввода исходной смеси и разделяющего агента.

Расчет проводили на 100 моль/час исходной смеси, содержащей бензол-циклогексан-этилбензол-н-пропилбензол, эквимолярного состава. Эффективность колонн задавали равной 20 т.т. Качество продуктовых фракций – 99%мольн. целевого компонента, за исключением фракции регенерированного анилина (содержание экстрактивного агента 99,9%мольн.).

На первом этапе, закрепив соотношение исходной смеси и экстрактивного агента (1:2), мы исследовали влияние температуры подачи анилина на энергетические затраты. Диапазон исследуемых температур закрепили в интервале 60–100 °С с шагом 10 °С. Для каждой из установленных температур определили оптимальное положение тарелок питания и ввода экстрактивного агента. Результаты расчета приведены в табл.5.

Таблица 5.

Изменение энергозатрат в зависимости от температуры подачи экстрактивного агента. F:ЭА = 1:2

Рис.8. Изменение энергозатрат в зависимости от температуры подачи ЭА

Видно, что при изменении температуры подачи ЭА оптимальное положение уровня подачи ЭА практически не изменяется. Флегмовое число уменьшается с уменьшением температуры. Это связано с тем, что при более высокой температуре возрастает концентрация анилина в укрепляющей секции колонны и для получения циклогексана заданного качества требуется возвращать в колонну больший поток флегмы. Зависимость суммарных энергозатрат от температуры имеет экстремальный характер – минимальные знергозатраты наблюдаются при температуре подачи ЭА 90 0С, что видно из рисунка 8.

Изменение энергозатрат на разделение при разных температурах подачи экстрактивного агента можно объяснить, рассмотрев уравнение теплового баланса (9). Члены уравнения Qконд и QЭА зависят от ТЭА. С одной стороны, с ростом температуры анилина происходит увеличение флегмового числа и затрат на конденсацию (Qконд), а с другой стороны, увеличивается количество тепла, приносимое потоком ЭА в колонну (QЭА). Очевидно, что увеличение Qконд приводит к росту энергопотребления в кубе, а увеличение QЭА — к его снижению. По полученным результатам для экстрактивной колонны можно сказать, что снижение энергозатрат за счет увеличения теплосодержания ЭА практически во всех случаях, превышает их рост за счет увеличения затрат на конденсацию.

Далее мы рассмотрели зависимость энергозатрат на разделение от температуры и расхода ЭА, определив на предыдущем этапе оптимальные уровни подачи входящих потоков экстрактивной колонны, а также температуру ввода разделяющего агента, закрепив их, мы исследовали влияние расхода ЭА на энергозатраты. Результаты представлены в табл. 6 и на рис. 9.

Таблица 6. З

Зависимость энергозатрат от расхода ЭА при температуре его подачи 90ºС. Уровни подачи NЭА/NF = 4/11