Способ разделения азеотропной смеси Советский патент 1984 года по МПК B01D3/36 C07C29/82 

Изобретение относится к способу разделения азеотропных смесей и может быть использовано в хиг шческой, нефтехимической и смежных с ними областях промышленности. В практике часто приходится стал киваться с задачами разделения сложных смесей, компоненты которых образуют азеотропы.Известен способ разделения азеотропных смесей под разными давлениями, в котором бинарную смесь, компоненты которой образуют азеотроп,разделяют на индивидуальные компоненты на двух ректификационных колоннах, работаюших при различных давлениях, Этот способ основан на известном сво йстве изменения состава азеотропа при изменении давления ij . Однако использование этого способа ограничено. В частности, его нельзя применить для разделения смесей, в которых состав азеотропа прак тически не меняется при изменении да ления, либо в тех случаях, когда существенное изменение состава азеотропа наблюдается в технологически неприемлимом диапазонедавления. Например, когда одна из колонн должна работать при глубоком вакууме, при котором конденсация }зерхнего продукта требует применения специальных хладагентов, что приводит к усложнению и удорожанию способа, либо когда одна из колонн должна работать при повышенном давлении, а компоненты разделяемой смеси являются термолабильными в этих условиях. Наиболее близким по технической сущности; к предложенному является способ разделения, основанный на при менении разделяющих агентов, вводимы в разделяемую смесь - метод азеотропной ректификации. Действие разде ляющих агентов заключается в изменении соотношений компонентов между паровой и жидкой фазами 2J . Однако этот способ характеризуется следующими недостатками загрязнение компонентов разделяемой смеси аэеотропным агентом, который может оказаться сильнейшим ядом для последующих каталитических процессов или резко ухудшить качество продукта, усложнение технологического процесса за счет необходимости регенерации разделяющего агента как из кубовой жидкости,так и из дистиллята, сложность подбора разделяющего агента, способного изменить относительную летучесть компонентов разделяемой смеси. Известны способы разделения смесей спиртов .(этилового, пропилового бутилового) с водой. Для смеси этанол-вода в качестве азеотропного а-ге нта рекомендуются гексан, циклогексан, гептан или нонан, а для смеси пропанол-вода применяют четыреххлористый углерод, тетрахлорг тилен, бензол, толуол или гексан з . Пелью изобретения является повышение чистоты конечных продуктов за счет исключения загрязнения их азеотропным агентом и обеспечение универсальности способа разделения азеотропных смесей. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу разделения азеотропной смеси, состоящему из компонентов, обладающих различными коэффициентами молекулярной диффузии, путем ее контактирования с разделяющим агентом, в качестве разделяющего агента используют поток газа, инертного по отношению к компонентам разделяемой смеси. Следует отметить, что в представленном процессе движущей силой является разность в коэффициентах молекулярной диффузии компонентов разделяемой смеси. В результате этого происходит предпочтительный переход в газовую фазу того компонента, у которого более высокий коэффициент молекулярной диффуэии. Жидкая фаза обогащается компонентом с более низким коэффициентом диффузии. Таким образом, происходит изменение состава азеотропной смеси. Степень извлечения компонентов слабо зависит от скорости газа, если последний изменяется в пределах от 1 до 3 м/с,т.е. в пределах, когда поток газа не оказывает существенного воздействия на поток жидкости и их течения можно рассматривать раздельными. При скоростях газа ниже 1 м/с может наблю-, даться равновесное испарение смеси и селективность процесса может измениться. Следует отметить, что в поток инертного газа частично переходит и компонент с меньшим коэффициентом молекулярной диффузии. Из инертного газа, насыщенного преимущественно компонентом с большим коэффициентом молекулярной диффузии, жидкие компоненты регененируются любым из известных способов (абсорбция, конденсация, адсорбция и др.). Из полученной при этом жидкой смеси, также как и из жидкой фазы пленочной колонны на двух ректификационных колоннах вьщеляют индивидуальные компоненты в виде товарных продуктов. Таким образом, разделение бинарной азеотропной смеси осуществляют в гетерогенном комплексе, включающем пленочную колонну, две ректификационные колонны и аппарат для извлечения компонентов из потока инертного газа. На фиг,1 и 2 приведена технологическая схема (на которой в соответствии с данным способом осуществляют разделение бинарной смеси ЛВ с положительным азеотропом) , на фиг.З схема экспериментальной установки по разделению азеотропной смеси. В ректификационную колонну 1 пода ют смесь АВ, состав которой обеднен (обогащен) компонентом А по сравнени со смесью азеотропного состава. Для осуществления способа компонент В должен обладать больигим (меньшим) коэффициентом молекулярной диффузии чем компонент А..В виде кубового про дукта получают компонент В(А,В виде верхнего продукта - смесь АВд aafoтропного состава, которую направляют в пленочную колонну 2. В нижнюю часть этой колонны подают инертный газ. Из жидкой фазы пленочной колонны 2 на колонне 3 выделяют в чистом виде компонент R (В). Инертный газ, насыщенный преимущественно компонентом В(А), подают в аппарат 4, в котором происходит выделение жидких продуктов, возвращаемых в колонну 1 Разделение бинарной смес;и АВ с отрицательным азеотропом осуществляют в соответствии с данным методом по схеме., приведенной на фиг.2. Из исходной смеси, обогащенной (обеднен ной) компонентом В по сравнению с азеотропным составом, на колонне 1 выделяют в виде верхнего товарного продукта компонент В(А). Кубовый продукт, представляющий собой смесь азеотропного состава, направляют в пленочную колонну 2. Для осуществления данного способа коэффициент молекулярной диффузии компонента В должен быть больше (меньше) коэффициента молекулярной диффузии компонента А. Из жидкой фазы пленочной колонны 2 на ректификационной колонне 3 выделяют в чистом виде компонент А(В). Инертный газ, насыщенный компонентом В(А), направляют в аппарат 4, откуда жидкая смесь компонентов АВ рециркулирует в колонну 1. Эффективность и четкость разделения по данному способу зависит от соотношения коэффициентов молекулярной диффузии компонентов разделяемой смеси и относительной летучести. Чем больше это соотношение отличается от единицы, тем выше эффективность процесса. Применение способа является целесообразным при соотношении коэффициентов диффузии больше 1,4 (нижний предел). Верхнее предельное значение этого соотношения является несушественным. Возможности данного способа проиллюстрированы на шести примерах разделения различных азеотропных смесей в интервале изменения отношений коэффициентов молекулярной диффузии от 1,43 до 2,97, Полученные результаты представлены в таблице. Пример 1. Разделяемую смесь изопропиловый спирт (А) - вода (В) загружают в сосуд 1 в количестве NQ 210 см. Из сосуда 1 шестиренчатым насосом разделяемую смесь подают через ротаметр 2 в ороситель 3 пленочной колонны 4, из которого она поступает в колонну в виде тонкой пленки со скоростью L 5,76 л/ч. Газ,в качестве которого используют азот(С), подают из баллона по линии 5 через ротаметр 6 со скоростью G 345,6 л/ч. Через определенные промежутки времени замеряют количество жидкости и концентрацию компонента А разделяемой смеси в сосуде 1. Коэффициент молекулярной диффузии изопропилового спирта в азоте Вд(ч 0,088 , коэффициент молекулярной диффузии воды в азоте D, 0,22 cMvc. Значения коэффициентов молекулярной диффузии можно определить по справочным данным или рассчитать по уравнениям . Концентрация изопропилового спирта в разделяемой смеси Хд - 0,626 мод:.доли. Изменение концентрации изопропанола Хд в смеси, заливаемой в емкость, от ее относительного количества N /N показано в таблице.

kO r-t

tn

%

о

о

о

in n

гН

fo

о

СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ АЗЕОТРОПНОЙ СМЕСИ, состоящей из компонентов, обладающих различными коэффициентами молекулярной диффузии, путем ее контактирования с разделяющим агентом, отличающийся тем, что, с целью повышения чистоты продуктов, в качестве разделяетцего агента используют поток газа,даертного по отношению к компонентам разделяемой смеси. 00 4; а:

OO

о

«

r-l

Ч)

r

л

о

rOO T

о г a CM

VD «л

ro r vo

in о

о о

О1

Iо о

tn

9 «о U)

ч- 00

со

о

о ел 00

4П

ш

U}

n со ю

in п

о о

00

vO CM VO

со г

о

л X

У| 00

IT

см

|§

Ф

X m

.

ff о. S с

н а 0) а

а

с;л

S нct

о Н S с{

ч И с О

н «о

о

(О Ю

(Т) Ья и m

ш

о

о

43

оо

I--in

оо

о л ю

оо о

tn о

Гч| г

о г

о о

VO о

со m

tn

in

N rtn

«п о

о о

гм о г

Н tH

in 00 гм о

о

Г-Ш VO го р

.о о

о

t о

ЧО о о о

п VO

ооin г

со

ч- VO

чч

о о

оо

о Ч

о

in

tn

Т-) in

М

V

%

ч о О

о

в

а

«t

а X X

X

S

о

п

00

Ч

(S

«t

I3I

Iг

XНdЧ

Xнd

0)ооо

шиоR

PISо.X

аSао

ааО)л

SашI

РоRн

;

hос;(О

Фс;U(U

ис;(чh

SX п

:

го

Условия проведения эксперимента, т.е. расходы газа и жидкости в стримерах 2-6 те же, что и в примере 1.

Пример 2. Разделяют смесь вторичный бутиловый спирт (А) вода (В). Концентрация вторичного бутилового спирта в разделяемой смеси К 0,82 мол.доли. Коэффициент молекулярной диффузии вторичного бутилового спирта в азоте Пде 0,076 , коэффициент молекулярной диЛфузии воды в азоте Вол 0,22 см2/с.

Пример 3. Разделяют смесь этилапетат (А) - вода (В). Концентрация этилацетата в смеси Хда 0,69 мол,доли. Коэффициент молекулярной диффузии этилацетата в азоте Одр 0,074 , коэффициент молекулярное диффузии воды в азоте в 0,22 cMVc.

Пример 4. Разделяют смесь этилацетат (А) - этанол (В) с концентрацией этилацетата Хд 0,54 мол.доли. Коэффициент молекулярной диффузии этилацетата в азоте Вдс 0,074 , коэффициент диффузии этанола в азоте Dg 0,105 см Vc.

Пример 5. Разделяют смесь четыреххлористый углерод (А) - метанол (В). Концентрация метанола в смеси Xg 0,45 мол.доли. Коэффициент молекулярной диффузии метанола в азоте Dgj 0,147 , коэффициент молекулярной диффузии четыреххлористого углерода в азоте Вдс 0,0819 CMVc.

Пример 6. Разделяют смесь четыреххлористый углерод (А)- этанол(В). Концентрация четыреххлористого углерода в смеси Хдд равна 0,615 мол.доли. Коэффициент молекулярной диффузии четыреххлористого

углерода в азоте Одс 0,0819 , коэффициент молекулярной диффузии этанола в азоте 0,117 ,

В таблице показано изменение концентрации компонента А в азеотропной смеси, заливаемой в емкость 1, от ее первоначального количества N /Nfl, отношения коэффициентов молекулярной диффузии, а также степень извлечения. Степень извлечения определялась как отношение количества фактически поглсяаенного компонента к количеству, поглощаемому при пол ном извлечении.

Данные опытов, содержащиеся & таблице, показывают, что смеси азеотропного состава могут быть разделены в процессе контакта с инертным газом. Этот способ позволяет получать смесь, которую затем легко разделить обычной ректификацией.

Использование предлагаемого способа разделения азеотропных смесей обеспечивает по сравнению с известными способами следующие преимущества: позволяет разделять азеотропные смеси, для которых другие способы могут оказаться неприемлимьп.1И, возможность получения веществ без загрязнения азеотропным агентом и примесями, содержащимися в нем, т.е. повышается качество продукта} исключает необходимость поиска азёотропного агента, замена обычной азеотропной ректификации, использующей такие азеотропные агенты, как гексан, бензол, толуол и др., на разделение азеотропных смесей с использованием инертного газа (азота, углекислого газа, воздуха и др,) способствует улучшению условий труда,снижает пожаре- и взрывоопасность производства ,

Фиг.2

N