CC BY
147
Г. С. Дьяконов, А. В. Клинов, А. В. Малыгин,
А. А. Нургалиева
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫДЕЛЕНИЯ ВЫСОКОЧИСТОГО ЭТИЛЕНГЛИКОЛЯ В СЛОЖНОЙ РЕКТИФИКАЦИОННОЙ КОЛОННЕ
Ключевые слова: этиленгликоль, смеси гликолей, колонна, ректификация ethylene glycol, column, rectification.
Проведены расчеты процесса разделения многокомпонентных смесей в ректификационной колонне D- 2620 установки выделения высокочистого этиленгликоля на ОАО «Петрокам» г. Нижнекамск. Определены режимы ведения технологического процесса разделения гликолей на данной колонне, обеспечивающие требуемое качество этиленгли-коля. Calculations of process of distillation of multicomponent mixtures in rectifying column D-of 2620 adjustments of separation high-clean ethylene glycol on corporation " Petrocam " s. Nizhnekamsk are carried out. Regimes of manufacturing method of separation of glycols on the yielded column, providing demanded quality of ethylene glycol are certain
Объектом исследования в данной работе является ректификационная колонна D-2620 (рис. 1) установки выделения высокочистого этиленгликоля методом гидратации окиси этилена на ОАО «Петрокам» г. Нижнекамск. Выделение товарного этиленгликоля происходит в колонне D-2620.
Колонна D-2620 снабжена двумя пакетами насадок (рис. 2) и 4-мя однопоточными тарелками (рис. 3). Высота верхней насадки - 2660 мм, нижней насадки - 798 мм. Колонна работает при температуре верха 137-141°С и остаточном давлении 80-100 мм.рт.ст. Вакуум в колонне создается 2-х ступенчатой пароэжекторной установкой. Она состоит из 2-х эжекторов и 3-х конденсаторов (предварительного, промежуточного и «хвостового»). Питание в колонну подается между двумя пакетами насадок из куба колонны узла осушки.
Рис. 1 - Колонна D-2620 узла ректификации этиленгликоля
Рис. 2 - Насадка «Intalox» фирмы «Koch-Glitsch»
Рис. 3 - Тарелка верхней части колонны D-2620 (типа «Prova^ve» фирмы «KochGlitsch»)
С верха колонны отводятся легколетучие примеси, а из куба - полигликоли. На 1-ю тарелку верха колонны 0-2620 подается флегма насосом из сборника флегмы. После 4-ой тарелки над верхним пакетом насадки из «бокового кармана» колонны Б-2620 отводится товарный этиленгликоль.
Питание колонны представляет собой смесь гликолей. Состав питания приведен в табл. 1.
Таблица 1 - Состав питания колонны
Время, мин Компонент Площадь Высота Концентрация
4.001 АЦЕТАЛЬДЕГИД 0.177 0.098 0.00006
5.719 2метил-1,3 ДИОКСОЛАН 0.179 0.081 0.00006
7.277 Н-ДИОКСАН 0.928 0.093 0.00031
11.320 ГЛИКОЛЬАЛЬДЕГИД 0.297 0.063 0.00010
13.004 УКСУСНАЯ К-ТА 0.502 0.134 0.00017
16.133 МЭГ 275850.046 15222.233 91.72662
18.085 КРАУН-ЭФИР (СН2СН2О)4 6.423 1.911 0.00214
21.431 ДЭГ 23590.353 3055.495 7.84435
31.783 ТЭГ 1279.891 135.716 0.42559
В настоящее время существует множество методик расчета ректификационных колонн, и их точность в значительной мере определяется достоверностью сведений о термодинамических и теплофизических свойствах разделяемых смесей. Для их определения широко применяются различные эмпирические и полуэмпирические модели. Причем для определения разных термодинамических характеристик используются разные модели, зачастую не имеющие общих основ и к тому же имеющие ограничения, как по области применения, так и по веществам для которых они могут быть использованы.
В этой связи весьма актуальным является разработка теоретических подходов для определения термодинамических характеристик, необходимых при моделировании процессов разделения многокомпонентных систем. В работе для решения данной задачи использовался метод интегральных уравнений (ИУ) для частичных функций распределения, в рамках которого можно проводить расчеты различных термодинамических характеристик и условий фазовых равновесий веществ и их смесей во всей области газожидкофазного состояния, включая фазовые границы, используя только информацию о потенциале взаимодействия между атомами и молекулами компонентов [1].
Межмолекулярные взаимодействия многоатомных молекул, таких как углеводороды, зависят от межмолекулярного расстояния и от пространственной ориентации молекул, что делает данный метод трудоемким в вычислительном плане. Поэтому в данной работе межмолекулярное взаимодействие между примесями моделировалось на основе центрального потенциала межмолекулярного взаимодействия, в этом случае все парные корреляционные функции будут зависеть от одной переменной - межмолекулярного расстояния. В качестве центрально потенциала использовался модельный сферически-симметричный потенциал Леннард-Джонса (ЛД):
Фіі(г) = 4в
V г у
аи
Г у
(1)
где в и а - параметры потенциала взаимодействия, г - межмолекулярное расстояние.
Для описания реальных веществ на основе потенциала ЛД необходимо идентифицировать его параметры. В работе для описания термодинамических характеристик и условий фазового равновесия примесей использовались параметры, определенные в работе [2].
Алгоритм расчета процесса многокомпонентной ректификации в ректификационной колонне строится на основе метода теоретических тарелок. Исходными данными для расчета являются: число теоретических тарелок в верхней и нижней секции колонны и номер тарелки питания; состав и расход питания; состав и доля отбора дистиллята, который будет использоваться в качестве первого приближения; доля отбора сбросного газа, давление в колонне и в парциальном дефлегматоре.
Для проверки адекватности предложенной математической модели процесса разделения смесей гликолей были проведены сравнения результатов расчета с промышленными данными. В таблице 2 приведены результаты расчетов моделирования колонны 0-2620 при расходе питания 14000 кг/час, в сравнении с данными промышленного эксперимента, полученные с помощью хроматографического анализа. Как следует из таблицы, разработанная математическая модель процесса разделения смесей гликолей в ректификационной колонне позволяет, с приемлемой для инженерных расчетов точностью, описывать процесс выделения высокочистого этиленгликоля.
Таблица 2 - Сравнение с промышленными данными для колонны 0-2620
Состав приме- Орошение Боковой отбор Куб
сей масс. доли % Промыш- ленные данные Расчет Промыш ленные данные Расчет Промыш ленные данные Расчет
Ацетальдегид 9,0-10-5 6,39-10'4 0,5-10'5 1,1-10'6 - 4,89-10-9
2 Метил-1,3диоксолан 1,6-10'4 4Д4-10'2 7,0-10'5 7,01-10'5 0,1-10'4 9,27-10'7
н-Диоксан 8,0-10-5 2,81-10'2 9,0-10'5 7,54-10'5 0,8-10'4 1,25-10'6
Кротоновый альдегид 2,51-10'3 5,4-10-2 8,7-10'5 1,13-10'4 - 8,58-10'7
Муравьиная кислота 1,587-10'3 2,79-10'2 9,5-10'5 1,12-10'4 - 1,99-10-6
Уксусная кислота 2,1-10'4 3Д1-10'2 1,7-10'4 1,28-10'4 2,1-10'3 3,37-10'6
1,2- Пропиленг-ликоль 2,78-10-3 2,4-10-4 2,6-10'4 2,9-10'4 - 2,31-10'4
Этиленгликоль 99,9926 99,81 99,99873 99,99878 28,7457 28,7344
Диэтиленгли- коль - - 4Д9-10'4 4,346-10'4 67,265 67,376
Триэтиленгли- коль - - 0 0 3,936 3,89
Целью работы было использование разработанной модели процесса разделения смесей гликолей в ректификационной колонне для совершенствования технологии эти-ленгликоля методом гидратации окиси этилена. Требовалось определить режимы ведения технологического процесса разделения смесей гликолей, обеспечивающие требуемое качество этиленгликоля (табл. 3).
Таблица 3 - Требования технического задания к продуктам разделения смесей гликолей
Наименование Техническое задание
ДЭГ в товарном продукте МЭГ в кубовом продукте не более 0,005% масс. не более 26,5% масс.
На основе полученной модели были проведены расчеты колонны 0-2620 для определения режимов, обеспечивающих суммарную концентрацию примесей в этиленгликоле, при котором показатель пропускания по УФ области спектра не ниже 99 % (^=275 нм).
Для улучшения качества получаемого продукта в качестве рекомендаций предложены различные варианты режимных параметров ведения технологического процесса. На основе полученной модели были проведены расчеты колонны Б-2620 для определения режимов, обеспечивающих суммарную концентрацию примесей в этиленгликоле и показатель пропускания по УФ области спектра не ниже 99% (^=275 нм).
Для улучшения качества получаемого продукта рекомендованы различные варианты режимов технологического процесса (рис. 4,5). Оптимальная область ограничена давлением 0.011-0.0133 МПа (80-100 мм рт. ст.), исходя из технологической возможности установки. Как видно из рисунков 5,6 необходимое качество продукции обеспечивается увеличением сдувки или увеличением орошения колонны.
_______________________________________________________________P, MPa____________________
Рис. 4 - Зависимость концентраций примесей в этиленгликоле от величины сдувки и давления в колонне D-2620: 1 - при сдувке 24,5 кг/ч; 2 - при сдувке 27 кг/ч; 3 - при сдувке 32 кг/ч
________________________________________________________________P, MPa____________________
Рис. 5 - Зависимость концентраций примесей в этиленгликоле от величины орошения и давления в колонне D-2620: 1 - при орошении 16384 кг/ч, 2 - при орошении 16505 кг/ч, 3 - при орошении 16709 кг/ч
Таким образом, в данной работе предложена математическая модель процесса разделения смеси гликолей в ректификационной колоне, в которой все необходимые для моделирования термодинамические характеристики определяются на основе потенциалов межмолекулярного взаимодействия. На основе разработанной модели проведены расчеты для ректификационной колонны D-2620 процесса получения этиленгликоля на ОАО «Пет-рокам» г. Нижнекамск и определены режимы ее работы, позволяющие получать высокочистый этиленгликоль с необходимыми показателями пропускания в УФ области спектра.
Литература
1. Смирнова, Н.А. Молекулярные теории растворов/ Н.А. Смирнова. - Л.: Химия, 1987. - 336 с.
2. Дьяконов, Г. С. Описание термодинамических свойств моно- и диэтиленгликоля на основе сфе-рически-симметричного потенциала межмолекулярного взаимодействия / Г.С.Дьяконов [и др.] // Вестн. Казан. технол. ун-та. - Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та, - 2008. - №3. - C. 71-77.
© Г. С. Дьяконов - д-р хим. наук, проф., зав. каф. процессов и аппаратов химической технологии КГТУ; А. В. Клинов - д-р техн. наук, профессор той же кафедры; А. В. Малыгин - канд. техн. наук, доцент той же кафедры; А. А. Нургалиева - асп. той же кафедры. e-mail: [email protected].
Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 1.04.09 по 30.05.09.
