Энергетическая оптимизация технологии выделения ацетона при его производстве кумольным способом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Энергетическая оптимизация технологии выделения ацетона при его производстве кумольным способом

кандидат технических наук, доцент Романова Н.А.

кандидат технических наук, доцент Леонтьев В.С.

студент Анисимов К.И.

Аннотация

В данной работе проведена оценка возможности выделения товарного ацетона в одной колонне высокой эффективности вместо существующей трехколонной системы. Рассмотрено влияние эффективности колонны, точки ввода питания, флегмового числа, доли отбора и давления процесса на показатели качества товарного продукта.

Ключевые слова: ацетон, оптимизация, энергосбережение.

Abstract

This paper discusses one of the stages of cumene process of acetone and phenol production, namely distillation of acetone. Currently the distillation is performed by means of a series of three columns to fulfill of separation efficiency.

Simulation of an acetone unit using algorithsms of optimization of single-column distillation units has shown that the distillation process can be optimized into a single stage using regular packing. Influence of the single column efficiency, point of food column input, reflux ratio and pressure of process on product quality is considered.

Keywords: acetone, optimization, energy saving.

Фенол и ацетон представляют собой ценные продукты нефтехимического синтеза. Фенол главным образом применяется для производства фенолформальдегидных смол, красителей, антисептиков, гербицидов, химических волокон. Ацетон нашел широкое применение в качестве растворителя. Одним из наиболее распространенных способов их получения является кумольный метод, при котором эти продукты производятся совместно разложением гидропероксида кумола. Выделение продуктов синтеза характеризуется высокой стадийностью и энергоемкостью, что связано в первую очередь с большим количеством примесей с разной концентрацией, таких как б-метилстирол, окись мезитила, метилфенилкетон, диметифенилкарбинол, гидроксиацетон, метанол, альдегиды и кислоты и др., которые существенно затрудняют выделение и очистку фенола и ацетона. В соответствии с требованиями ГОСТ 2768-84 «Ацетон технический. Технические условия» ацетон высшего сорта должен иметь содержание целевого вещества не менее 0,9975 масс. долей, при этом концентрация примесей, таких как вода, метанол и органические кислоты, строго ограничена. В частности, содержание метанола не должно превышать 0,0005 масс. долей.

Фенол марки А должен содержать не менее 0,9996 масс. долей основного компонента. Содержание микропримесей в нем также регламентировано.

На ряде заводов России выделение ацетона производится в трех последовательных ректификационных аппаратах (рисунок 1), в первом из которых (К-1) исходная реакционная смесь разделяется на ацетоновый и фенольный потоки, далее ацетоновый поток направляется на вторую колонну К-2, где выделяется ацетон-сырец, содержащий остатки воды и легкие примеси. Ацетон-сырец идет на питание колонны К-3, предназначенной для выделения товарного ацетона, который отводится в качестве дистиллята. Суммарные затраты греющего пара на систему трех колонн составляют 1,8 Гкал/т товарного ацетона.

Ориентировочный состав питания колонн К-1, К-2 и К-3 приведен в таблице 1.

Рисунок 1. Существующая схема выделения ацетона на 3-х колоннах

Из анализа структуры существующей схемы и потоков следует, что эффективности колонн К-1 и К-2 недостаточно для отделения от ацетона воды и примесей более высококипящих, чем ацетон, до требуемых показателей. Кроме того, в существующей схеме не предусмотрен гарантированный вывод легколетучих примесей и метанола из промышленного цикла.

В данной работе проведена оценка возможности выделения товарного ацетона в одной колонне К-1 высокой эффективности. Рассмотрено влияние эффективности колонны, точки ввода питания, флегмового числа, доли отбора и давления процесса на показатели качества товарного продукта.

товарный ацетон флегмовый давление

Таблица 1. Ориентировочный состав питания колонн К-1, К-2, К-3

При наличии в питании колонны К-1 легколетучих примесей, таких как альдегиды и органические кислоты, не удаленных на стадии нейтрализации смеси после разложения гидропероксида кумола, качество ацетона ухудшается. Повысить качество товарного продукта при наличии легколетучих примесей можно за счет использования бокового отбора [1] целевого продукта с формированием буферной зоны определенной эффективности между точкой отбора целевого продукта и верхом колонны.

При анализе работы колонны К-1 использовался метод построения кривых качества [1], каждая точка которых характеризует совокупность конструктивных и технологических параметров, обеспечивающих требуемые показатели качества товарного продукта, являющегося постоянной величиной для всего множества точек.

Моделирование процесса велось в программном пакете HYSYS с использованием пакетов NRTL и Chien Null, которые дали близкие результаты. Эффективность колонны варьировалась от 16 т.т. до 90 т.т., доля отбора от регламентных значений для трехколонной схемы (е=0,475) до балансового содержания ацетона в отборе и исходной смеси (е=0,325). Оптимальное флегмовое число определялось на основе построения кривых качества.

На рисунке 2 приведена схема выделения ацетона на одной высокоэффективной колонне с боковым отбором целевого продукта.

Рисунок 2. Схема выделения ацетона на одной высокоэффективной колонне

На рисунках 3-7 показаны концентрационные профили ацетона, воды, метанола, а также суммы альдегидов и органических кислот по высоте ректификационной колонны К-1 при двух значениях доли отбора (е=0,475 и е=0,325), одинаковой эффективности колонны (80 теоретических тарелок) и флегмовом числе (R=1,6).

Анализ полученных результатов показывает, что доля отбора сильно влияет на состав дистиллята. При доле отбора, равной содержанию ацетона в исходном продукте (e=0,325 масс.), в колонне высокой эффективности (80 т.т.) дистиллят содержит метанол и воду в допустимых ГОСТ 2768-84 количествах, а также следы альдегидов и органических кислот. Требуемое качество ацетона обеспечивается при вариации точки ввода питания с 32 по 36 т. т., считая снизу.

При уменьшении доли отбора относительно балансовой величины ацетона исходной реакционной смеси в кубе колонны появится ацетон, а при ее увеличении - в товарном продукте повысится содержание метанола, альдегидов и кислот. Поэтому при выделении ацетона в одну стадию необходимо решить задачу стабилизации потока отбора дистиллята и его коррекции в зависимости от количества ацетона, поступающего в колонну. Коррекцию доли отбора целесообразно осуществлять по температуре контрольной тарелки. В качестве контрольной тарелки принимается зона, наиболее чувствительная к изменению концентрационного и температурного полей по высоте колонны. На рисунке 8 приведены температурные профили по высоте колонны при различных долях отбора и выделены потенциальные контрольные зоны.

Рисунок 3. График зависимости массовой концентрации ацетона и воды по высоте колонны при e=0,325

Рисунок 4. График зависимости массовой концентрации альдегидов, органических кислот и метанола по высоте колонны при e=0,325

Рисунок 5. График зависимости массовой концентрации ацетона и воды по высоте колонны при e=0,475

Рисунок 6. График зависимости массовой концентрации альдегидов и органических кислот по высоте колонны при e=0,475

Рисунок 7. График зависимости массовой концентрации метанола по высоте колонны при e=0,475

Следует отметить, что содержание метанола в сырье принималось равным 0,06 % масс. При большем содержании этого компонента в исходной смеси отделить ацетон от метанола до требуемого остаточного содержания последнего не представляется возможным даже при понижении остаточного давления до 10 мм Hg, что объясняется наличием азеотропной смеси с минимальной температурой кипения, что хорошо согласуется с данными [2].

Рисунок 8. Температурные профили по высоте колонны при различных долях отбора: 1 и 2 - потенциальные контрольные зоны

В источнике [3] предлагается разделять смесь метанол-ацетон методом экстрактивной ректификации с водой в комплексе из двух колонн, работающих под разными давлениями. Если содержание метанола в реакционной массе выше 0,06%, то при увеличении содержания в ней воды, смесь разделяется с получением ацетона заданного качества по метанолу. На графике (рисунок 9) показана зависимость количества метанола, попадающего в ацетон вместе с дистиллятом от его потенциального содержания в исходной смеси от количества воды в реакционной смеси. Таким образом, количество воды, необходимое для очистки ацетона от метанола, выбирается в зависимости от концентрации метанола в реакционной массе.

Рисунок 9. График зависимости количества метанола, ушедшего в ацетон от количества воды в смеси

Снижение давления позитивно влияет на разделение реакционной смеси. Однако, степень понижения давления ограничена ввиду низкой температуры кипения целевого продукта (ацетона). В таблице 2 приведены результаты расчета температуры верха колонны и концентрации ацетона в дистилляте при разных давлениях. Из таблицы видно, что оптимальным давлением будет значение 0,04 МПа, при котором уже достигается требуемое содержание основного компонента в потоке дистиллята, и в то же время температура конденсации паров позволяет использовать в качестве хладагента захоложенную воду.

Оптимизационные расчеты показали, что получить ацетон заданного качества при его выделении из реакционных смесей кумольного производства можно в одну стадию при следующих условиях: эффективность колонны К-1 разделения реакционной смеси на ацетоновый и фенольный потоки должна быть увеличена с 16 до 80 т.т., давление в колонне снижено до 0,4 ата, флегмовое число увеличено с 0,55 до 1,6. При этом количество энергии, затраченной на получение 1 тонны ацетона снижается на 1,3 Гкал или в 3,6 раз.

Таблица 2. Значения концентрации ацетона в дистилляте и температуры верха колонны при разных давлениях

При проектировании ректификационного аппарата для обеспечения требуемой четкости разделения в качестве контактных устройств (КУ) целесообразно использовать высокоэффективные упругие регулярные насадки.

Колонны с РН наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым к ректификационным аппаратам в вакуумных процессах, так как обладают значительно меньшим гидравлическим сопротивлением по сравнению с любыми тарельчатыми КУ.

Выводы

1. Выделение ацетона с товарными характеристиками возможно в одной колонне разделения реакционной смеси на ацетоновый и фенольный потоки при повышении эффективности колонны с 16 до 80 теоретических тарелок, увеличении флегмового числа с 0,55 до 1,6 и понижения давления в колонне с атмосферного до вакуума (0,04 МПа). При этом изменение доли отбора в первой колонне существенно влияет на содержание в ацетоне таких примесей, как альдегиды и органические кислоты, углеводороды и окись мезитила, но менее значительно влияет на концентрационный профиль метанола по высоте колонны.

2. При разделении исходной смеси необходимо контролировать содержание в ней метанола, образующего с целевым ацетоном положительную азеотропную смесь. При повышении концентрации метанола, требуется повысить расход воды, что необходимо учесть при выполнении гидравлического расчета колонного аппарата. Запас по производительности должен составлять не менее 30%.

3. Затраты греющего пара в пересчете на энергетические единицы снизились на 1,3 Гкал на 1 тонну товарного ацетона.

4. В качестве контактных устройств, одновременно обеспечивающих заданную четкость разделения и малое гидравлическое сопротивление, рекомендуются регулярные насадки.

Литература

1. Леонтьев В.С. Оптимизация одноколонных ректификационных аппаратов для химических технологий и процессов нефтепереработки [Электронный ресурс] / В.С. Леонтьев // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2012. - №2. - С. 255-264. - Режим доступа: http://www.ogbus.ru/authors/Leontiev/Leontiev_4.pdf

2. Огородников С. К., Лестева Т. М., Коган В. Б. Азеотропные смеси. Справочник. - Л.: Химия, 1971. 848 с.

3. Анохина Е. А., Сидорова Ю. И., Тимошенко А. В. Экстрактивная ректификация смеси ацетон - метанол с водой в комплексе с частично связанными тепловыми и материальными потоками // Вестник МИТХТ. - 2011. - №5. - С. 118-124.

Размещено на Allbest.ru