Тема: Теоретические основы разделения реакционных смесей
План:
1. Общие подходы к созданию технологических схем разделения, методы разделения и принципы их выбора
2. Разделительные комплексы и особенности реализации процессов в нефтехимическом синтезе
Общие подходы к созданию технологических схем разделения, методы разделения и принципы их выбора
Массообменные процессы играют значительную роль в производствах основного органического и нефтехимического синтеза. Они используются на разных этапах получения целевого продукта: при очистке сырья; в реакторах при осуществлении реакций; при улавливании целевых, побочных продуктов и непрореагировавшего сырья; при выделении из целевых продуктов, веществ, образующихся при протекании побочных реакций, а также вспомогательных веществ.
На первом этапе проводится очистка сырья, это обусловлено тем, что некоторые примеси являются «ядами» для катализатора или, полимеризуясь на нем, резко снижают его активность. На этом этапе чаще всего используют ректификацию, хемосорбцию, адсорбцию, гетероазеотропную сушку.
Смеси, получаемые в результате химических реакций, проходят предварительную очистку от механических примесей, к числу которых относятся частицы катализатора, полимерные примеси и другие. Для их улавливания применяются различные типы аппаратов (фильтры, центрифуги, циклоны, мембраны и др.).
В ряде случаев в качестве катализатора используют вещества кислотного или щелочного характера, которые попадают в продукты реакций. Очистку продуктов реакций от этих примесей проводят нейтрализацией. Для улавливания продуктов реакций используют абсорбцию, конденсацию и др.
|
|
Наибольшее применение процессы массообмена находят на последнем этапе – при разделении смесей продуктов, получающихся в результате синтеза в реакционном устройстве. В зависимости от числа и состояния фаз для разделения используют различные методы и различную аппаратуру. Чаще всего применяют сочетание нескольких методов разделения, осуществляемых в комплексе аппаратов. Это связано с тем, что разделению подвергают сложные смеси.
При разработке технологии безотходных производств возникает сложная задача очистки сточных вод и газовых выбросов. При этом также применяются различные методы разделения.
Эта подсистема является наиболее сложной вследствие большого числа различных методов разделения и аппаратов, используемых в ней, поэтому большая часть энергетических затрат (часто >70%) при производстве продуктов основного органического и нефтехимического синтеза приходится на эту подсистему.
Любую технологическую схему разделения можно представить как набор операторов разделения (ректификационных, экстракционных, абсорбционных и других колонн), определенным образом взаимосвязанных между собой.
Задача синтеза оптимальной технологической схемы разделения в самом общем виде заключается в следующем.
При известном составе и состоянии сырья, получаемого в результате химических реакций, и заданных компонентах или фракциях, которые должны быть выделены, и их качестве, необходимо выбрать:
Ø методы, которые могут быть применены на каждом этапе разделения;
Ø оптимальный набор разделительных операторов;
|
|
Ø оптимальную схему потоковых взаимосвязей между операторами;
Ø оптимальные параметры работы каждого оператора.
В качестве критерия оптимальности выбираются минимальные суммарные приведенные затраты на разделение для всей схемы в целом.
Все методы разделения распадаются на три большие группы: 
v Методы, основанные на различных физических свойствах разделяемых веществ.
К этой группе относятся: осаждение твердых частиц под действием инерционных сил, фильтрование твердых частиц, очистка газа от пыли промыванием, осаждение частиц в поле электростатических сил и др.
v Методы, основанные на фазовых переходах первого рода.
Основные методы разделения, относящиеся к этой группе, применяемые для смесей разного фазового состояния: смеси жидких продуктов (дистилляция, различные виды ректификации, экстракция, кристаллизация, диффузия через мембраны); газовые и парогазовые смеси (парциальная конденсация, различные виды ректификации, абсорбция, адсорбция, диффузия через пористые и непористые мембраны); растворы твердых продуктов (экстракция, выпаривание, кристаллизация, адсорбция, диализ, электродиализ); смеси твердых продуктов (кристаллизация и перекристаллизация из растворов, сублимация, зонная плавка).
v Методы, основанные на применении химических реакций.
К этой 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 целевого компонента.
|
|
В технологии получения крупнотоннажных органических продуктов наиболее распространены методы разделения, основанные на фазовых переходах. Особенно часто используются процессы дистилляции, ректификации, экстракции, абсорбции и парциальной конденсации. Остальные методы используются при разделении различных смесей в малотоннажных производствах.
Все методы, основанные на фазовых переходах, можно разделить на два класса:
v методы, с помощью которых можно непосредственно обрабатывать разделяемые смеси;
v методы, для осуществления которых необходимо вводить в исходную смесь новые вещества, которые или растворимы в смеси, подвергаемой разделению, или образуют новую фазу.
Методы, осуществляемые с добавлением в исходную смесь новых, растворимых в ней веществ (экстрактивная ректификация, аэеотропная ректификация, экстракция, кристаллизация из специально приготовленного раствора); методы, в которых введенное вещество образует новую фазу (абсорбция, гетероазеотропная ректификация, адсорбция, перегонка в токе инертного газа или перегретого пара, экстракция специально подобранным экстрагентом).
В процессе создания схемы разделения необходимо принимать в расчет:
ü свойства разделяемой смеси, ее агрегатное состояние, число фаз, степень идеальности;
ü возможность достижения заданного разделения, требуемой чистоты выделяемых веществ и выхода по целевым продуктам и фракциям; энергоемкость того или иного метода;
ü экологическую чистоту метода;
ü возможность организации непрерывного процесса разделения;
ü возможность выбора аппаратов необходимой единичной мощности;
ü простоту в управлении процессом разделения.
Задача выбора того или иного метода разделения 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. Основная стратегия выбора, например для жидких смесей, заключается в том, что перебор начинают с более простых, весьма распространенных методов, дающих однородные схемы (дистилляция, ректификация). Затем обращаются к специальным методам разделения (экстрактивная ректификация, экстракция, разделение с варьированием давления), и, наконец, рассматривают методы с использованием химической реакции.