Пример синтеза схемы разделения алкибензолов в производстве кумола

Важнейшими полупродуктами промышленности органического синтеза являются получаемые в процессе алкилирования бензола этилбензол, изопропилбензол, бутилбензол и полиалкилбензолы (ПАБ), широко применяемые в производстве синтетических каучуков и пластических масс. Окислением изопропилбензола с последующим разложением гидроперекиси получают фенол и ацетон, производство которых растет с каждым годом. Из других продуктов алкилирования бензола-этилбензола, булитбензола, ПАБ — получают стирол и а -метилстирол, а также ряд других веществ, широко используемых в химической промышленности.

В работе В. Стяжкина была поставлена задача синтеза оптимальной технологической схемы разделения алкилбензолов, позволяющая при минимальных приведенных затратах получить все компоненты в виде товарных продуктов.

Подготовка исходной информации

В табл. 9.3 приведен качественный и количественный состав разделяемой смеси; компоненты смеси ранжированы в порядке убывания их относительных летучестей. Существующая технологическая схема представлена на рисунке 9.20.

Анализ схемы позволил сделать следующие выводы:

• — Из колонны IV выводятся полиалкилбензолы в виде одной фракции, стоимость которой на порядок ниже средней стоимости составляющих ее компонентов — диизопропилбензола и триизопропилбензола.
• — Степень извлечения остальных компонентов (кроме изопропилбензола, бензола) менее 90%, что не позволяет использовать их в качестве товарных продуктов.
• — Данная последовательность выделения компонентов, а также технологические параметры работы ректификационных установок не позволяют организовать рекуперацию тепла в схеме.

В процессе синтеза при расчете элементов схем разделения принимались следующие значения регламентированных переменных.

• 1. Количество продуктовых потоков — 7;
• 2. Степень извлечения компонентов — 99%;
• 3. Давление — 0,1 МПа;
• 4. Подача питания в колонну осуществляется при температуре кипения.

Матрица потоков DPR представлена в табл. 9.4.

Синтез технологической схемы разделения алкилбензолов проводился в два этапа. На первом этапе исследовались физико-химические и термодинамические свойства компонентов и смесей, а также условия фазового равновесия многокомпонентной системы с целью выявления ограничений. Формировалась матрица тепловых объединений и анализировалась возможность рекуперации тепла между потенцаль;

Рис. 9.2.Существующая технологическая схема разделения алкилбензолов.

Таблица 9.3 Качественный и количественный состав смеси

Таблица 9.4. Матрица потоков DPR (размерность, кг/ч)

ными источниками и стоками энергии.

На втором этапе синтезировался оптимальный вариант схемы разделения с учетом полученных ограничений.

Анализ физико-химических свойств компонентов и теплового объединения потоков разделяемой смеси. При исследовании физико-химических и термодинамических свойств разделяемой смеси использовался «банк данных» по молекулярным весам (М_в), температурам кипения (7'_ким), критическим параметрам (Р_нр, Тщ, р_кр), зависимостям давления насыщенных паров от температуры в виде уравнений Антуана и т. д. Было выявлено, что в смеси алкилбензолов нет азеотропов, поэтому при исследовании фазового равновесия и термодинамических особенностей смеси поиск областей непрерывной ректификации не проводился.

Анализ физико-химических свойств разделяемых компонентов и эксплуатационных характеристик технологической схемы разделения позволил выявить ограничения на объединение тепловых потоков. Присутствие в смеси смолы и полиалкилбензолов, полимеризующихся в процессе разделения, не позволяет использовать эти компоненты в качестве источников тепла, так как это усложняет и удорожает эксплуатацию теплообменного оборудования.

При генерации матрицы теплового объединения потоки, в которых присутствовала смола и полиалкилбензолы, не рассматривались. Матрица DPR, полученная с учетом этих ограничений, представлена в таблице 9.5.

Таблица 9.5. Матрица тепловых объединений (цифрами обозначены компоненты в ранжированном списке смеси алкилбензолов).

В результате анализа матрицы тепловых объединений, было установлено, что рекуперация тепла может осуществляться в схеме между потоком куба ректификационной колонны, из которого в качестве продукта отводится этилбензол (Г_Кип=136°С), и дефлегматора колонны, из которого в качестве продукта отводится изопропилбензол (7'_К01Ш = 152°С).

Следовательно, на втором этапе синтеза при расчете тепловых нагрузок должны генерироваться только те варианты схем разделения по предложенному алгоритму, в которых этилбензол отбирается как целевой продукт из куба, а изопропилбензол — из дефлегматора. Ограничение пространства поиска только такими вариантами производится с помощью индексов «4» и «5», которые заносятся в матрицу связей перед началом генерации вариантов. Индекс «6» не используется, так как он применяется только для случаев, в которых рекуперируемые потоки состоят из двух и более компонентов. Ниже приведены значения индексов N в матрице связей, М ограничивающих пространство поиска.

При раскрытии (генерации) вершин на одном уровне завершенности, для которых в матрице связей М стоят индексы «4» и «5» одновременно, первой раскрывается вершина, у которой точка деления соответствует позиции индекса «5» в М. Вершина, у которой точка деления совпадает с позицией индекса «4» в Л/, может быть раскрыта только на следующем уровне завершенности схемы разделения, если в позицию с индексом «5» была занесена «1». Под позицией в матрице связей М подразумевается номер столбца, который соответствует номеру компонента в ранжированном списке смеси.

Так позиция индекса «5» в М соответствует точке деления 2/3, то компонент с номером 2 (этилбензол) может быть только кубовым продуктом, а компонент 3 (изопропилбензол) только дистиллятом, что иллюстрируется схемой приведенной ниже.

Таким образом, использование индексов «4» и «5» позволяет рассматривать те варианты схем разделения, где возможна рекуперация тепла.

(в скобках цифра соответствует компоненту в ранжированном списке).