CC BY
60
УДК 66.048.625: 547.781.4: 544.34
А.Ф. Ягфарова, А. Р. Хайруллина, Л. Р. Минибаева, А. В. Клинов
ВЫДЕЛЕНИЕ АЦЕТОНА ИЗ СМЕСИ С ВОДОЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИМИДАЗОЛЬНОЙ ИОННОЙ ЖИДКОСТИ [Mmim] [DMP]
Ключевые слова: ионная жидкость, ацетон-вода, экстрактивная ректификация.
Предложена технологическая схема выделения ацетона из смеси с водой на основе экстрактивной ректификации симидазольной ионной жидкостью [Mmim][DMP] вкачестверазделяющегоагента.
Keywords: ionic liquid, acetone-water, extractive distillation.
The proposed technological scheme of separation of acetone from a mixture with water based extractive distillationwithimidazolium ionic liquid [Mmim][DMP] as the separation agent.
Введение
Технический ацетон обычно содержит воду, с которой он смешивается в любых отношениях, иногда он загрязнен спиртом и восстанавливающими веществами. Однако в лабораторной практике, в фармацевтической и пищевой промышленности требуется использование высокочистого ацетона (99,8 масс. %) для анализа нефтепродуктов и других соединений.
Тиммерманс и Гилло [1] обнаружили, что наиболее трудноудаляемой примесью является вода. Им не удалось отделить воду перегонкой, а применение таких обезвоживающих средств, как металлический натрий, пятиокись фосфора и хлористый кальций, вызывают, как известно, конденсацию ацетона.
Так как простая перегонка не дает возможности полностью очистить ацетон от его гомологов, а также от некоторых углеводородов, метилового спирта, ацеталей и воды, то для получения высокочистого ацетона необходимо применять другие методы очистки [2-3]. В настоящее время одним из перспективных методов является использование ионных жидкостей (ИЖ) в качестве
разделяющих агентов в процессе экстрактивной ректификации [4-10].
Интерес к ИЖ, связан с их уникальными свойствами, такими как хорошая растворимость органических и неорганических соединений, практическое отсутствие давления насыщенного пара, высокая термическая стабильность[11-14].
В предыдущей работе [15] было показано, что наиболее перспективнойимидазольной ИЖ, смещающей равновесие бинарной системы ацетон -вода, является [Мш1ш][БМР].
Целью данной работы являлось исследование эффективности применения имидазольнойИЖ в процессе экстрактивной ректификации для разделения смеси ацетон-вода.
Схема установки для выделения ацетона из смеси с водой
С помощью программы НуБуБ была смоделирована технологическая схема выделения ацетона из смеси с водойс использованием ИЖ [Мш1ш][БМР]. На рисунке 1 представлена разработанная технологическая схема.
п [
->—>П
-01
Рис. 1 - Технологическая схема установки для выделения ацетона из смеси с водой
Исходная смесь ацетон-вода (поток 3) подается в тарельчатую ректификационную колонну 1, где происходит процесс экстрактивной ректификации. В верхнюю часть колонны 1 подается экстрактивный агент [Мш1ш][БМР] (поток 4). На выходе получается дистиллят (поток 1), представляющий собой чистый ацетон с незначительным содержанием примесей. Кубовый остаток (поток 2), выходящий из нижней части колонны 1 и содержащий в основном ИЖ и воду поступает в колонну 2, представляющую собой испаритель, где происходит регенерация ИЖ под низким давлением. Регенерированная ИЖ из колонны 2 (поток 6) проходит через насос 3, после которого давление увеличивается до атмосферного (поток 7), поступает в холодильник 4 и снова подается в верхнюю часть колонны 1 (поток 4).
Для сравнения эффективности применения ИЖ[Мш1ш] [БМР] в качестве экстрагентабыла также рассчитана тарельчатая ректификационная колонна без использования ИЖ.Моделирование проводилось при различных условиях: а) при постоянном количестве тарелок менялось флегмовое число; б) при постоянном флегмовом числе менялось количество тарелок. Результаты моделирования представлены в таблице 1,из которой видно, что при постоянном расходе ИЖ (1% масс. от общего потока смеси ацетон-вода, равный 1 кг/ч) и количестве тарелок в колонне при флегмовом числе равномК=0,6 содержание воды в дистилляте наименьшее. Далее при этом флегмовом числе подбиралось количество тарелок.Изучение влияния количества тарелок при постоянном флегмовом числе Я=0,6 на концентрацию получаемого ацетона показало, что их минимальное количество для достижения наименьшего содержания воды в дистилляте должно быть равно 20, а их дальнейшее увеличение дает лишь незначительный рост концентрации ацетона.
Таблица 1 - Влияние флегмового числа и количества тарелок в колонне на разделение смеси ацетон-вода при постоянном расходе ИЖ (1 кг/ч)
Я N N / N^«1 Без ИЖ ХаееЮпе, мол. д. С ИЖ Xacetone, мол. д.
0,5 20 / 15 / 2 0,9405 0,9952
0,6 20 / 15 / 2 0,9434 0,9996
0,7 20 / 15 / 2 0,9460 0,9995
0,8 20 / 15 / 2 0,9483 0,9994
0,9 20 / 15 / 2 0,9503 0,9992
1 20 / 15 / 2 0,9519 0,9991
1,1 20 / 15 / 2 0,9533 0,9989
0,6 16 / 12 / 2 0,9410 0,9241
0,6 20 / 15 / 2 0,9434 0,9996
0,6 25 / 19 / 2 0,9445 0,9998
0,6 30 / 22 / 2 0,9451 0,9999
В табл. 1 использованы следующие обознчения: N -общее число тарелок,^ - номер тарелки питания, NИЖ - номер тарелки, на которую подается ИЖ.
Кроме того, было изучено влияние расхода ИЖ на чистоту получаемого ацетона при ранее определенных количествах тарелок и флегмовом числе: N=20, Я = 0,6.
Из рисунка 2 видно, что увеличение расхода ИЖ, начиная с 0,9 кг/ч практически не меняет концентрацию ацетона на выходе и значение его равно 0,9992 мол. д.
1
0,99
0,98
0,97
0,96
0,95
0,94 Оин!
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00
Рис. 2 - Влияние расхода ИЖ при Я=0,6; N=20
Результаты расчетов технологических параметров потоков представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Параметры потоков
Номер потока 1 2 3 4
Температура, °С 55,77 110,6384 50 40
Давление, МПа 0,1 0,1 0,1 0,1
Массовый расход, кг/ч 96,692 4,208 100 0,9
Содержание воды, мол.д. 0,00081 0,976 0,1 0,01
Содержание ацетона,мол.д. 0,99919 0,0001 0,9 0
Содержание [Мш1ш][БМР], мол. д. 0 0,024 0 0,99
Таким образом, предлагаемая схема при N = 20, с Nf= 15, NИЖ = 2, Я = 0,6 и массовом расходе ИЖ 0,9 кг/ч позволяет получить дистиллят с содержанием ацетона 0,9992 мол. д.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках проекта № 14-03-00251 а.
Заключение
Предложена технологическая схема выделения ацетона из смеси с водой на основе экстрактивной ректификации с использованием
имидазольнойионной жидкости [Мш1ш] [БМР] в качестве разделяющего агента. Представлены технологические параметры потоков. Результаты
расчетов показывают эффективность использования имидазольнойионной жидкости [Mmim][DMP] в качестве разделяющего агента в процессе осушки ацетона до уровня содержания ацетона в дистилляте 99,92мол.%.
Литература
1. J. Timmermands, L. GilloRocxnikChem, 18, 812-816(1938).
2. S. Ray, S.K. Ray, Journal of Membrane Science, 270, 1-2, 73-87 (2006).
3. F. Liu, L. Liu, X. Feng, Separation and Purification Technology, 42, 3, 273-282 (2005).
4. A. V. Orchilles, P. J. Miguel, V. Gonzalez-Alfaro, E.Vercher, A.Martinez-Andreu, J. Chem. Eng.Data, 57, 394-399 (2012
5. K. Kulajanpeng, U.Suriyapraphadilok, R. Gani,Chemical Engineering Transactions, 39, 517-522 (2014).
6. A.B. Pereiro, J.M.M. Araujo, J.M.S.S. Esperança, I.M. Marrucho, L.P.N. Rebelo, J. Chem. Thermodynamics,46, 2-28(2012).
7. Zhigang Lei, Xiaomin Xi, Chengna Dai, Jiqin Zhu,Biaohua Chen, AIChE Journal, 60, 8, 2994-3004 (2014)
8. Zhigang Lei, Chengna Dai, Jiqin Zhu, and Biaohua Chen, AIChE Journal, 60, 9, 3312-3329 (2014).
9. В.И. Жучков, П.Г. Румянцев, С.А. Решетов, Т.В. Челюскина, А.К. Фролкова, ВестникМИТХТ, 6, 3, 44-50 (2011).
10. А.В. Клинов, Л.Р. Минибаева, А.Р. Хайруллина, Ф.А. Байгузин, Вестник Казанского технологического университета, 17, 19, 53-56 (2014).
11. Д.Г. Логинов, В.В. Никешин, Вестник Казанского технологического университета, 15, 22, 53-54 (2012).
12. А.В. Клинов, М.В. Федоров, А.В. Малыгин, Л.Р. Минибаева, Журнал физической химии,88, 10,1497-1503
(2014).
13. С.А. Решетов, А.К. Фролкова, Вестник МИТХТ, 4, 3, 27-44 (2009).
14. A. Berthoda, M.J. Ruiz-Аngelb, S. Carda-Broch, Journal of Chromatography A, 1184, 1-2, 6-18 (2008).
15. А.Ф. Ягфарова, Л. Р. Минибаева, А. В. Клинов, Вестник технологического университета, 18, 16, 77-80
(2015).
© А.Ф. Ягфарова - инженер-технолог ООО «ПТО «МЕДТЕХНИКА», aliya_yagfarova@mail.ru; А. Р. Хайруллина - аспирант кафедры процессов и аппаратов химической технологии КНИТУ, apelsinochka91@mail.ru; Л. Р. Минибаева - доцент кафедры процессов и аппаратов химической технологии КНИТУ, minibayeva@kstu.ru; А. В. Клинов - зав. кафедрой процессов и аппаратов химической технологии КНИТУ, alklin@kstu.ru.
© A. F. Yagfarova- process engineer LLC «ITL «MEDTEKHNIKA»,aliya_yagfarova@mail.ru; А. R. Khairullina - graduate student ofdepartment of processes and devices of chemical technologiesKNRTU, apelsinochka91@mail.ru; L. R. Minibaeva -associate professor of department of processes and devices of chemical technologies KNRTU, minibayeva@kstu.ru; A. V. Klinov -head of department of processes and devicesof chemical technologyKNRTU, alklin@kstu.ru.
