CC BY
19
УДК 371.69:004.3
М. И. Криворучко, М. Б. Глебов*
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20 * e-mail: [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ ХЛОРОФОРМ-СЫРЦА С ОИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИОННОЙ ЖИДКОСТИ В ЭКСТАРКЦИОННОЙ КОЛОННЕ
В работе рассматривается задача получения чистого и особо чистого хлороформа. Приводится направление «зеленой химии» где представляется замена традиционных растворителей, с использованием ионных жидкостей, а так же построение математической модели №ЗЯЪ и расчета параметров экстракционной колонны для данных веществ.
Ключевые слова: ионная жидкость; математическая модель; экстракция; хлороформ.
В химической технологии, технологиях основного органического и нефтехимического синтеза и ряде других существует необходимость разделения многокомпонентных смесей. Как правило, такие системы характеризуются сложным характером фазового поведения и требуют разработки специальных приемов разделения, одним из которых является экстракция. В последнее время в качестве разделяющих агентов в процессе экстракции наряду с традиционными растворителями используются ионные жидкости (ИЖ), так как эти соединения не горючи, термически устойчивы, обладают низким давлением паров и низкой токсичностью, а также могут быть использованы повторно.
Главным и существенным фактором при выборе ионной жидкости является учет взаимодействия его молекул с молекулами исходных веществ, так как создается баланс сил межмолекулярных взаимодействий в силу наличия ионов и постоянного дипольного момента. Эти свойства ионных жидкостей должно обеспечивать сильное взаимодействие как с молекулами, имеющими свободные электронные пары, так и с молекулами, располагающими функциональными группами, в которых на периферии соседних фрагментов молекул локально сконцентрированы как электронная плотность [1].
Поскольку ионные жидкости невозможно очистить перегонкой (давление их насыщенного пара практически равно нулю), то на практике очищают исходные соединения, из которых собираются получать ионную жидкость.
Для чистых ионных жидкостей до настоящего времени нет единого целостного представления об их структуре, в силу косвенной природы применяемых методов. Распространенной является точка зрения, согласно которой в жидком состоянии структура имидазолиевых ИЖ определяется сильными межионными кулоновскими
взаимодействиями, которые относительно быстро экранируются при удалении от центрального иона (т.е. являются достаточно локальными)
Теоретически можно отогнать любые органические примеси из ионной жидкости, так как многие из последних устойчивы к нагреванию до очень высоких температур: не разлагаются вплоть до 400 °С
Также можно очистить ионные жидкости активированным углем, с последующей фильтрацией через короткую колонку с нейтральным оксидом алюминия. Воду отгоняют нагреванием в течение нескольких часов до 60^ при пониженном давлении.
В промышленности способность ионных жидкостей к очистке для повторного использования играет важнейшую роль из-за высокой стоимости последних. Эффективность варьируется от плохой до очень хорошей.
Поэтому выбор ИЖ по физико-химическим свойствам нашей системы стало вещество содержащие фтористый и сульфатный анион - 1-этил-3 -метилимидазолиум трифторметансульфонат. Данное вещество имеет строение, как показано на рис. 1.
Рис. 1. 1-этил-3-метилимидозолиум трифторметансульфонат Брутто-формула (система Хилла):
C2H5CзHзN2CHз(CFзSOз). Молекулярная масса (в а.е.м.): 260,234. Температура плавления (в °С): - 9°С Плотность: 1,39 г/см3 (20°С, состояние вещества - жидкость) [2].
Использование модели для электролитов
на основании концепции локальных составов. В этой концепции рассматривается молекула компонента и
её ближайшее окружение. Полагают, что при различии энергий взаимодействия одинаковых и разных молекул их мольные доли в окружении центральной молекулы должны отличаться от мольных долей в растворе, поэтому представляет большой интерес расчета коэффициентов активности. На всех этих предприятиях для очистки хлороформа применяется химический метод с использованием серной кислоты, что ведет к серьезным экологическим проблемам (большое количество сбрасываемой загрязненной серной кислоты). В связи с этим остро стоит проблема в разработке экологически чистых способов очистки хлороформа-сырца. В качестве таких способов в работе рассматривается применение экстракции загрязнений ионными жидкостями. Следует отметить, что отделение примесей другими методами (ректификации, адсорбции и т.д.) сопряжено со сложностями, обусловленными
близостью свойств основного компонента и примесей (1,1-дихлорэтана и цис-1,2-дихлорэтилена).
Таким образом, целью стало изучение возможности получения чистого хлороформа методом экстракции с использованием ИЖ [3].
В качестве экстрактора можно использовать экстракционную колонну с ситчатыми тарелками. Выбор данного типа экстрактора обусловлен несколькими причинами:
1) такой экстрактор прост по устройству;
2) имеет достаточно высокую производительность;
3) в них отсутствуют движущиеся части;
4) вследствие секционирования продольное перемешивание в этих аппаратах невелико [4].
Условная схема такого экстрактора представлена на рис. 2.
Экстракт (ионная жидкость с примесями)
Хлороформ с примесями
Очищенный хлороформ £
Ионная жидкость
Рис. 2. Экстракция в ситчатой колонне
В колоннах этого типа жидкая фаза многократно диспергируется и коалесцирует, протекая через установленные в колонне тарелки, в которых имеется большое число отверстий. Скорость экстракции при этом многократно возрастает вследствие многократного редиспергирования и, по существу, вследствие увеличения числа концевых эффектов. Однако, вероятно, наиболее важным
преимуществом аппаратов этого типа является уменьшение в них обратного перемешивание в результате секционирования колонны.
На рис. 2 показана ситчатая колонна, предложенная Харрингтоном. В этой колонне сплошная фаза, представляющая собой ионную жидкость, движется снизу вверх, экстрагируя примеси хлороформа из жидкой фазы, которая в
свою очередь движется сверху вниз, перетекая с тарелки на тарелку.
Нами делается допущение о состоянии равновесия на каждой ступени разделения, чтобы произвести расчёт [3].
Для определения режимных параметров экстрактора запишем балансовые уравнения с учетом того, что:
1) используемая в работе модель основывается на равновесном подходе;
2) используется допущение о постоянстве мольных расходов рафината и экстрагента.
С учетом сделанных допущений система математического описания процесса экстракции примет вид:
1. Общий материальный баланс для каждой стадии (№ уравнений):
Бх + Я + Бх+1 + = 0. (1)
2. Покомпонентный материальный баланс для каждой стадии (число уравнений равно числу стадий, умноженному на число компонентов):
Е^ + ЯХ + Е^У^ + Я1-1Х)-1 = 0. (2)
з. Для каждого из потоков выполняются следующие стехиометрические соотношения:
vM vM л
Е1=1Х1,п =Е1=1У1,п = 1. (з)
У нас имеется четырехкомпонентная смесь, следовательно, для расчета необходимы покомпонентные материальные балансы только для трех компонентов, а для четвертого компонента расчет можно провести по стехиометрическим соотношениям.
По вышеприведенным соотношениям был приведен проектный расчет экстрактора для очистки хлороформ-сырца.
Полученные экспериментальные данные позволили выявить общие соотношения между структурой и термохимическими свойствами ионных жидкостей в растворе.
Криворучко Мария Ивановна, студентка 1 курса магистратуры факультета Информационных технологий и управления РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Глебов Михаил Борисович, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой Кибернетики химико-технологических процессов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.
Литература
1. Глебов М.Б., Комиссаров Ю.А., Гордеев Л.С, Вент Д.П. Химико-технологические процессы. М.: Химия, 1999. 402 с.
2. Современное состояние и основные тенденции развития перспективных ионных жидкостей / Бурмистр М.В. [и др.]. Вестник Удмуртского Университета. Физика. Химия. 2012. №1. С. 55-68.
3. Решетов С.А. Ионные жидкости как разделяющие агенты: автореф. дис.... канд. техн. наук. - М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова, 2010. 25 с.
4. Коган В.Б., Фридман В.М., Кафаров В.В. Равновесие между жидкостью и паром. М.: Наука, 1966. 426 с.
KrivoruchkoMariaIvanovna, GlebovMikhailBorisovich*
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia * e-mail: [email protected]
STUDY OF THE PROCESS OF PURIFICATION OF THE CHLOROFORM CRUDE WITH THE USE OF IONIC LIQUID IN AN EXTRACTION COLUMN
Abstract
This paper considers the problem of obtaining pure and highly pure chloroform. Given the direction of "green chemistry" where it appears the replacement of traditional solvents. With the use of ionic liquids as well as the construction of mathematical models NRTL and calculation of parameters of an extraction column for these materials.
Key words: Ionic liquid; mathematical model; extraction; chloroform.
