Рассмотрено влияние давления на равновесие смесей н-бутанол–изобутил-бутират и н-бутанол–2-этилгексанол
фазовое равновесие, дивинил, бутиловые спирты
В производстве бутиловых спиртов требуется выделение смеси нормального бутанола и изобутанола с низким содержанием высококипящих компонентов. С этой целью осуществляется ректификация исходной смеси в колонне, снабженной 70-ю тарелками S-образного типа (рис. 1).
Рисунок 1 – Колонна выделения бутиловых спиртов и кубового остатка (КОБС): К – колонна; Т- теплообменник; Е – емкость; Н – насос
В результате разделения смеси получают дистиллят с содержанием высококипящих компонентов, не превышающим 0,2 % масс. и кубовый остаток (КОБС), средний состав которого представлен в таблице 1.
Таблица 1
Средний состав КОБС
|
№ |
Компонентный состав, % масс. |
КОБС |
|
1 |
i-Бутанол |
0,1 - 0,2 |
|
2 |
n-Бутанол |
10,5 - 12,3 |
|
3 |
Эфиры простые |
0,2 - 0,5 |
|
4 |
i-Бутилизобутират |
0,3 |
|
5 |
n-Бутилизобутират |
1,7 - 1,8 |
|
6 |
i-Бутил-n-бутират |
1,5 - 1,7 |
|
7 |
n-Бутил-n-бутират |
6,2 - 6,3 |
|
8 |
2-Этилгексеналь |
0,2 |
|
9 |
n-Бутилдиизобутилацеталь + 2-этилгексеналь |
0,5 - 0,7 |
|
10 |
n-Бутилизобутилацеталь |
1,5 - 1,6 |
|
11 |
2-Этил-4-метилпентанол |
3,3 – 3,7 |
|
12 |
2-Этилгексанол |
23,5 - 26,0 |
|
13 |
Неидентифицированные |
38,5 – 42,0 |
Таблица 2
Состав модельной исходной смеси
|
№ |
Наименование компонентов смеси |
Концентрация хF, масс. доля |
|
1 |
Изобутаналь |
0,0001 |
|
2 |
н-Бутаналь |
0,0005 |
|
3 |
Изобутанол |
0,2830 |
|
4 |
н-Бутанол |
0,6014 |
|
5 |
Диизобутиловый эфир + муравьиная кислота |
0,0120 |
|
6 |
Дибутиловый эфир |
0,0214 |
|
7 |
Изобутил-изобутират |
0,0008 |
|
8 |
н-Бутил–н-бутират |
0,0012 |
|
9 |
2-Этилгексанол |
0,0797 |
При выполнении работы было выявлено аномальное поведение парожидкостного равновесия высококипящих компонентов и бутиловых спиртов.
Наиболее трудно отделяемым высококипящим компонентом, затрудняющим получение бутиловых спиртов требуемой чистоты, является изобутил–изобутират. Причина состоит в том, что в области низких концентраций этого компонента линия равновесия приближается к диагонали квадрата (рис. 2) и движущая сила процесса становится низкой. Это отрицательно сказывается на отделении изобутил–бутирата от н-бутанола на верхних тарелках колонны [2].
Рисунок 2 – Положение линии равновесия между паром и жидкостью
для смеси н-бутанол – изобутил-изобутират при давлении 1 атм
В ходе расчетов было обнаружено, что повышение давления в системе благоприятно влияет на равновесие, что приводит к увеличению движущей силы процесса (табл. 3).
Таблица 3
Значения равновесных концентраций y* н-бутанола в паре над жидкостью
состава х и максимальная движущая сила процесса массообмена (у* – х)
при разных давлениях в системе для смеси н-бутанол – изобутил-изобутират
|
х, мол. дол. |
Равновесная концентрация у* мол. дол. и Δу |
||||||||
|
Р = 0,1 ата |
Р = 0,3 ата |
Р = 1 ата |
Р = 3 ата |
|
|||||
|
y* |
(у* – х) |
y* |
(у* – х) |
y* |
(у* – х) |
y* |
(у* – х) |
|
|
|
0,9231 |
0,9264 |
0,0033 |
0,9369 |
0,0138 |
0,9462 |
0,0231 |
0,9527 |
0,0296 |
|
|
0,9487 |
0,9479 |
0,0008 |
0,9561 |
0,074 |
0,9628 |
0,0141 |
0,9675 |
0,0188 |
|
|
0,9744 |
0,9730 |
-0,0014 |
0,9771 |
0,0027 |
0,9807 |
0,0063 |
0,9832 |
0,0088 |
|
Однако поведение второго высококипящего компонента – 2-этилгекса-нола оказалось противоположным. Повышение давления приводило к снижению движущей силы процесса (табл. 4).
Таблица 4
Значения равновесных концентраций y* н-бутанола в паре над жидкостью
состава х и максимальная движущая сила процесса массообмена (у* – х)
при разных давлениях в системе для смеси н-бутанол – 2-этилгексанол
|
х, мол. дол. |
Равновесная концентрация у*, мол. дол. |
|||||||
|
Р = 0,1 ата |
Р = 0,3 ата |
Р = 1 ата |
Р = 3 ата |
|||||
|
y* |
(у* – х) |
y* |
(у* – х) |
y* |
(у* – х) |
y* |
(у* – х) |
|
|
0,9231 |
0,9955 |
0,0724 |
0,9938 |
0,0707 |
0,9915 |
0,0684 |
0,9891 |
0,066 |
|
0,9487 |
0,9971 |
0,0484 |
0,9960 |
0,0473 |
0,9945 |
0,0458 |
0,9929 |
0,0442 |
|
0,9744 |
0,9986 |
0,0242 |
0,9980 |
0,0236 |
0,9973 |
0,0229 |
0,9965 |
0,0221 |
Если сопоставить масштабы изменения движущих сил процесса для изобутил–изобутирата и 2-этилгексанола, то следует отметить, что во втором случае изменения значительно меньше. Однако содержание 2-этилгексанола в смеси во много раз превышает содержание изобутил–бутирата. Вследствие этого эффекты оказались соизмеримыми. В результате было принято решение продолжить работу колонны под атмосферным давлением. А для решения задачи использовать другие приёмы.
1. Отчет по теме «Пересчет узла разделения КОБСа и суммы бутиловых спиртов», АнГТУ, 2023. - 86 с.
2. Ульянов, Б.А. Процессы и аппараты химической технологии / Б.А. Ульянов, В.Я. Бадеников, В.Г. Ликучев. - Ангарск: Издательство АнГТУ, 2020. - 759 с.
