CC BY
131
ГИДРОДИНАМИКА, ТЕПЛО-И МАССООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ, ЭНЕРГЕТИКА
УДК 622.276.031:66.061.5
Д. Д. Ахметлатыйпова, В. В. Акшинская, И. М. Хайруллин,
И. Д. Ахметлатыйпов
МОДЕЛЬ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ЧИСТОГО ОКСИДА ЭТИЛЕНА
С ПРИМЕНЕНИЕМ СВЕРХКРИТИЧЕСКОГО ДИОКСИДА УГЛЕРОДА
Ключевые слова: оксид этилена, сверхкритический диоксид углерода, колонна экстракции, колонна ректификации. Проведен сравнительный анализ новой сверхкритической технологии с существующей «Сайнтифик Дизайн».
Key words: ethylene oxide, supercritical carbon dioxide, extraction column, distillation column.
Carried out a comparative analysis of a new supercritical technology with the existing «Scientific Design.
Современная технология получения оксида этилена многоступенчата и связана с большими энергозатратами, вследствие использования высокопотенциального тепла. К примеру, рассмотрим технологию, применяемую в настоящее время на производстве (разработка фирмы «Сайнтифик Дизайн») рис.1, которая предусматривает получение оксида этилена методом прямого окисления этилена в присутствие серебряного катализатора. Кроме основной реакции окисления этилена в реакторе так же проходят побочные, такие как: 1) сгорание эти-
лена с образованием диоксида углерода и воды, 2) образование этиленгликоля в результате реакции оксида этилена с водой. Смесь газов, выходящая из реактора, содержит продукты всех реакций, а так же этилен, азот и кислород. Для разделения данной смеси используется абсорбция водой, которая имеет высокую поглотительную способность относительно к оксиду этилена. Кроме основного продукта вода поглощает так же часть диоксида углерода и эти-ленгликоля. Дальнейшее разделение проходит в ректификационной колонне 1 (при 118°С).
Д1П№СИЛ утлсрэла
Ркс.1 - Принципиальная схема классической технологии получения оксил этнлена
Там смесь отделяется от водного раствора этиленг-ликоля. Затем пары окиси этилена, воды, двуокиси углерода, этилена поступают во второй водяной абсорбер для отделения большей части диоксида углерода и этилена. После абсорбции водный раствор оксида этилена поступает на ректификацию 2 (55°С). Полученный кубовый продукт, содержащий 12 % оксида этилена, насосом подается на питание в колонну разделения 3, предварительно подогреваясь в теплообменнике до 92оС. Затем, в следующей ко-
лонне 4 происходит окончательное отделение продукта от диоксида углерода при 149°С. Для наилучшего отделения диоксида углерода в нижнюю часть колонны добавляется газообразный азот как легколетучее вещество. Товарный оксид этилена получают только из пятой колонны разделения. Как видно из описания оксид этилена проходит много ступеней очистки и это связано с большими энергозатратами. Данная проблема является важнейшей задачей для современной химической промышленности.
Рис.- - Принципиальная схем! технологии получения оксида этилена с использованием СЕерхкритическаго^иокснра этилена
Одним из перспективных подходов решения этой проблемы является использование сверхкрити-ческого экстракционного процесса, предложенного в патентах [1,2]. Данная проблематика так же явилась предметом исследований в работах Гумерова Ф.М. и др., где представлены характеристики фазового равновесия для системы «вода - оксид этилена -диоксид углерода» [3], а так же модель сверхкрити-ческой экстракции с использо-ванием диоксида углерода [4]. В варианте с использованием сверхкри-тического диоксида этилена пять колонн разделения и одна колонна абсорбции заменяется 2-мя колоннами (экстракции (45°С) и регенерации(50°С)) (см. рис.2). Смесь газов из реактора через теплообменник поступает в абсорбер, где оксид этилена и часть других газов поглощается водой. Затем полученная смесь поступает в сверхкритический экстрактор, который подробно был рассмотрен в [4]. В экстракционной колонне в противотоке контактируют сверхкритический диоксид углерода и водный раствор оксида этилена, в результате чего не менее 99% оксида этилена извлекается в фазу диоксида углерода. При этом унос воды экстрагентом не превышает 1%. Выделение оксида этилена из смеси с диоксидом углерода осуществляется путем ректификации в регенерационной колонне, подробно рассмотренной в [5]. Диоксид углерода, отделенный от оксида этилена, возвращается в экстракционную колонну предварительно достигнув нужного давления в компрессоре 2 и охладившись до температуры 45°С в теплообменнике 2. Рециркуляция диоксида углерода в схеме, а так же отсутствие необходимости применения азота при получении товарного оксида этилена позволяют уменьшить количество сжигаемого газа в печах, следовательно, уменьшают вредное воздействие технологии на производство.
Данная технология сверхкритической экстракции оксида этилена из его водного раствора была смоделирована в специализированной программе с добавлением пользовательских подпрограмм. Так же был проведен сравнительный эконо-
мический анализ с существующей технологией. Был проведен подбор основного и вспомогательного оборудования, а так же оценены энергозатраты. В обеих технологиях рассматривалась проектная мощность 200000 т/год оксида этилена. В таблице 1 представлены предположительные энерго-затраты отдельно для теплообменников, насосов и компрессоров. Более высокие энергозатраты на насосы в классической схеме объясняются их большим количеством, в сравнении со сверхкритической схемой. Если в классической схеме используется четыре насоса, то в сверхкритической всего один, который обеспечивает рецикл воды из экстрактора в абсорбер. Но если рассматривать компрессора, то в сверхкритической схеме возникает необходимость в установке компрессора с высоким отношением
Таблица 1 - Энергозатраты на оборудование в мегаваттах
Классическая техноло гия Сверхкри- тическая технология
Насосы 0,3185 0,021
Компрессора 0,02 2,1
Теплообменники 20,85 16
Всего 21,1885 18,121
давления и большой объемной производительностью, что значительно увеличивает энергозатраты в данной строке. Что касается теплообменников, то как видно из описания в классической схеме мы имеем дело с высокопотенциальным теплом, а в предложенной - температура не поднимается выше 50°С. Также во время экономического анализа была приблизительно оценена стоимость оборудования (табл. 2). При сравнительно меньшем количестве оборудования его стоимость в сверхкритической схеме оказалась выше. Это объясняется тем, что в
данной схеме поддерживаются очень высокие давления, в следствие этого к оборудованию предъявляются более высокие требования прочности, а так же его производство в наше время является единичным.
Таблица 2 - Стоимость оборудования в долларах
Классическая технология Сверхкри- тическая технология
Насосы 70800 31000
Компрессора 4000 1050000
Теплообменники 1130000 504000
Колонны 1985000 3120000
Всего 3189800 4201000
Несомненно, в каждой из рассмотренных схем есть свои плюсы и минусы. И если мы сейчас заменим существующую классическую схему на новую, то мы не получим большого экономического эффекта сразу. Однако стоит учесть, что предложенная новая технология получения оксида этилена значительно проще, компактнее, а так же, что самое
главное, экологичнее за счет меньших выбросов в
окружающую среду.
Литература
1. Пат. 2110678A UK Patent GB. C07D 301/32. Proceess for separating Ethylene Oxide from Aqueous Solution/ Vi-jay S. Bhise, Bloomfield, N.J.; Robert Hoch, Ridgewood, N.Y.
2. Пат. 4,437,938 United States Patent. B01D 3/34; C07D 301/32. Proceess for recovering Ethylene oxide from Aqueous Solution/ Vijay S. Bhise, Bloomfield, N.J.; Robert Hoch.
3. Гумеров Ф.М., Сабирзянов А.Н., Гумерова Г.И. и др. Разделение водного раствора окиси этилена методом сверхкритической экстракции//Теорет. основы хим. технологии. 2002.Т.36№5.С.503.
4. Ахметлатыйпова Д.Д., Амирханов Д.Г., Гумеров Ф.М., Теляков Э.Ш. Моделиррование процесса экстракции оксида этилена из его водного раствора сверхкритическим диоксидом углерода//Вестник Казанского технологического университета, 2011. том 14, N7.-C.46-53.
5. Ахметлатыйпова Д.Д., Хайруллин И.М. Сравнительный анализ использования инертных добавок при разделении смеси оксид этилена - диоксид углерода// Вестник Казанского технологического университета, 2013. том 16, N8.-C.53-55.
© Д. Д. Ахметлатыйпова - асс. каф. холодильной техники и технологий КНИТУ, [email protected]; В. В. Акшинская - асс. той же кафедры, [email protected]; И. М. Хайруллин - студ. той же кафедры; И. Д. Ахметлатыйпов - магистр той же кафедры.
