Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Український державний
хіміко-технологічний університет
УДК 66.0:66.071.4+661.7:665.652.4
ЮШКО
Віталій Ларионович
Апаратурно-технологічна розробка
сумісного виробництва етилбензолу і кумолу
на базі етилен-пропіленових фракцій
Спеціальність 05.05.13 - Машини та апарати
хімічних виробництв
Автореферат
дисертації на здобуття наукового
ступеня доктора технічних наук
Дніпропетровськ - 1999
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Українському державному хіміко-технологічному університеті.
НАУКОВИЙ КОНСУЛЬТАНТ:
Доктор технічних наук, доцент, завідувач кафедрою хімічної та екологічної техніки Українського державного хіміко-технологічного університету
ЄРМАКОВ ПЕТРО ПЕТРОВИЧ
ОФІЦІЙНІ ОПОНЕНТИ:
Доктор технічних наук, професор кафедри прикладної газодинаміки і тепломасообміну Дніпропетровського державного університету
КОВАЛЬ ВОЛОДИМИР ПАВЛОВИЧ
Доктор технічних наук, професор, завідувач кафедрою технології й автоматизації хімічних процесів Дніпродзержинського державного технологічного університету
ВОЛОШИН МИКОЛА ДМИТРОВИЧ
Доктор технічних наук, професор кафедри хімічної техніки і промислової екології Харківського державного політехнічного університету
ШАПОРЄВ ВАЛЕРІЙ ПАВЛОВИЧ
ПРОВІДНА ОРГАНІЗАЦІЯ:
Український науково-дослідний інститут нафтопереробної промисловості “МАСМА”, м. Київ
Захист відбудеться “ 10 ” червня 1999 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.078.02 в Українському державному хіміко-технологічному університеті за адресою: 320005, м. Дніпропетровськ, проспект Гагаріна, 8, ауд. 220.
Автореферат розісланий “ 5 ” травня 1999 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради М.П. Сухий
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми
Важливим завданням України на даному історичному етапі є підвищення добробуту народу за рахунок забезпечення гармонійного розвитку економіки, ліквідації диспропорцій у розвитку окремих галузей господарства, упровадження ресурсо- й енергозберігаючих технологій та вирішення екологічних проблем.
Особливо гостро стоїть питання забезпечення всього господарського комплексу України вуглеводневою сировиною, що є джерелом розвитку хімічної промисловості й енергетики; гостро відчувається нестача нафти та природного газу. Така ситуація спонукає до корінного перегляду стратегії використання цих сировинних ресурсів. З урахуванням набутого світового досвіду ця проблема в Україні буде вирішуватись у комплексі різними напрямами. Важливе місце серед цих напрямів займуть такі як: комплексна безвідхідна переробка нафти, природного газу, вугілля та сланців; пошуки шляхів заміни використання нафти та природного газу в промисловості іншою сировиною; зменшення витрат сировини та енергії.
Однією з невідкладних проблем сьогодення для України є розв’язання проблеми використання попутних вуглеводневих газів таких як зворотний коксовий газ коксохімічних підприємств і гази каталітичного крекінгу нафтопереробних виробництв. Ці попутні гази покищо не знаходять у повній мірі свого ефективного використання. А часті викиди зворотного коксового газу на свічки для спалювання призводять до втрат цього цінного газу і погіршують екологічну ситуацію в районі, де розташовані коксохімічні підприємства.
Для прискорення вирішення проблеми ефективного використання указаних попутних газів необхідні нові науково-технічні розробки, повязані з їх використанням як сировини для комплексної переробки в цінні для господарського комплексу продукти.
Наголосимо на тому, що зворотний коксовий газ і гази каталітичного крекінгу нафтових фракцій, як олефін-вміщуючі гази, при организації їх комплексної переробки в аміак, можуть розглядатись як джерела для одержання попутних етилен-пропіленових фракцій. А ці останні можна розглядати як цінну сировину для сумісного виробництва етилбензолу і кумолу методом суміщеного алкілування бензолу в присутності хлориду алюмінію.
Про доцільність використання зворотного коксового газу та газів каталітичного крекінгу для комплексної переробки в аміак, етилбензол та кумол свідчать техніко-економічні обгрунтування, розроблені провідними науково-дослідними і проектними інститутами України та наші наукові праці.
Таким чином, вирішення проблеми використання олефін-вміщуючих попутних вуглеводневих газів повязуюється з їх комплексною переробкою в аміак, етилбензол, кумол та інші продукти. При цьому попутне до аміаку виробництво етилбензолу, кумолу та інших продуктів має сприяти зниженню собівартості аміаку. А це останнє має відкрити широкі перспективи для переробки, перш за все, зворотного коксового газу і газів каталітичного крекінгу нафтових фракцій за ресурсо- й енергозберігаючими технологіями.
У наші часи широкій реалізації сумісного виробництва етилбензолу і кумолу на базі етилен-пропіленових фракцій перешкоджають такі фактори як підвищені витрати сировини й енергії, а також екологічні проблеми. Основними причинами наявності цих перешкоджаючих факторів є присутність в етилен-пропіленових фракціях недопустимої кількості шкідливих домішок та відсутність прийнятної технології й апаратури очистки цих фракцій; недосконалість технології й апаратури суміщеного алкілування бензолу; недосконалість технології й апаратури очистки алкілату від залишків хлориду алюмінію та пов’язане з останнім утворення підвищенної кількості шкідливої стічної води; утрати теплоти екзотермічної реакції алкілування бензолу, обумовлені недосконалістю технологічної схеми.
Таким чином, вирішення поставленої в дисертації задачі зводиться до апаратурно-технологічної розробки двох процесів: процесу очистки етилен-пропіленових фракцій від шкідливих домішок та реакційно-масообмінного процесу суміщеного алкілування бензолу етилен-пропіленовими фракціями. Результатом виконання поставленої задачі повинна бути розробка науково-технічних основ нової ресурсо- й енергозберігаючої хіміко-технологічної системи сумісного виробництва етилбензолу і кумолу на базі попутних етилен-пропіленових фракцій.
Звязок дисертації з науковими програмами, планами, темами. В основу науково-технічного матеріалу представленої дисертації покладені праці, що виконувались автором у відповідності з планом основних напрямків наукової діяльності кафедри обладнання хімічних заводів (тепер кафедри хімічної та екологічної техніки) Українського державного хіміко-технологічного університету на протязі ряду років. Ці роботи продовжуються і зараз. Науковий напрямок праць узгоджено з Українським державним інститутом азотної промисловості та продуктів органічного синтезу (УкрДІАП), і робота здійснювалась у тісному контакті з цим провідним інститутом.
Науковий напрямок роботи узгоджується з “Пріоритетними напрямами розвитку науки і техніки”, затвердженими постановами Верховної Ради України від 16.10.1992 р. та від 25.02.1994 р., і указами Президента України та постановами Кабінету Міністрів України з питань ресурсо- й енергозбереження в області споживання і переробки вуглеводневої сировини.
Мета дослідження. Розробити нові високоефективні масообмінні і реакційно-масообмінні колонні тарілчасті апарати з широким діапазоном стійкої роботи і можливістю саморегулювання гідродинамічного режиму та створити науковообгрунтовані методи їх розрахунку, конструювання і проектування стосовно до розробки нової ресурсо- й енергозберігаючої хіміко-технологічної системи сумісного виробництва етилбензолу і кумолу методом суміщеного газорідинного алкілування бензолу етилен-пропіленовими фракціями з забезпеченням високого рівня екологізації системи.
Задачі дослідження:
Дослідження і розробка фізико-хімічних і технологічних основ процесів та апаратів очистки етилен-пропіленових фракцій методом фізичної абсорбції трибутилфосфатом.
Дослідження і розробка нової високоефективної масообмінної апаратури на базі тарілок з двома зонами контакту фаз, обладнаних переливними пристроями з сітчастими сепараторами та конічними розподільниками рідини, необхідної для оформлення технологічного процесу очистки етилен-пропіленових фракцій методом фізичної абсорбції трибутилфосфатом при мінусових температурах.
Розробка науковообгрунтованих методів розрахунку та конструювання запропонованої апаратури для оформлення технологічних процесів очистки етилен-пропіленових фракцій методом фізичної абсорбції трибутилфосфатом.
Розробка й упровадження у виробництво установки для очистки етилен-пропіленових фракцій методом фізичної абсорбції трибтилфосфатом при мінусових температурах.
Дослідження і розробка реакційних процесів та апаратів промислового газорідинного алкілування бензолу етилен-пропіленовими фракціями в присутності хлориду алюмінію.
Розробка науковообгрунтованого методу розрахунку та конструювання реакторної апаратури для оформлення технологічних процесів суміщеного газорідинного алкілування бензолу етилен-пропіленовими фракціями в присутності хлориду алюмінію.
Розробка промислової установки для суміщеного газорідинного алкілування бензолу етилен-пропіленовими фракціями в присутності хлориду алюмінію.
Розробка науково-технічних основ нової ресурсо- й енергозберігаючої ХТС сумісного виробництва етилбензолу і кумолу на базі етилен-пропіленових фракцій.
Техніко-економічна оцінка розробленої ХТС.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в розробці нових високоефективних масообмінних і реакційно-масообмінних колонних тарілчастих апаратів з широким діапазоном стійкої роботи і можливістю саморегулювання гідродинамічного режиму та створенні науково-обгрунтованих методів їх розрахунку, конструювання і проектування стосовно до розробки нової ресурсо- й енергозберігаючої хіміко-технологічної системи сумісного виробництва етилбензолу і кумолу методом суміщеного газорідинного алкілування бензолу етилен-пропіленовими фракціями з забезпеченням високого рівня екологізації системи.
У порядку розробки фізико-хімічних і технологічних основ нових процесів та апаратів очистки етилен-пропіленових фракцій стосовно до вимог алкілування бензолу в присутності хлориду алюмінію уперше виконано такі дослідження та розробки.
Досліджено взаємодію трибутилфосфату з бензолом у присутності хлориду алюмінію і показано, що цей складний ефір миттєво реагує с бензолом с утворенням бутилбензолів і фосфорної кислоти – продуктів, що не є отрутою для рідинного каталізаторного комплексу хлориду алюмінію.
Досліджено залежності густини, поверхневого натягу та в’язкості трибутилфосфату від температури й одержано математичні формули для їх визначення.
Досліджено розчинність етилену, пропілену, ацетилену, дивінілу та сіркооксиду вуглецю в трибутилфосфаті в області визначених параметрів температури і тиску та одержано відповідні розрахункові формули.
Розроблено методику розрахунку перспективних схем очистки етилен-пропіленових фракцій від шкідливих домішок методом фізичної абсорбції трибутилфосфатом та виконано на базі цього розрахунку економічну оцінку цих схем з метою визначення оптимальних технологічних параметрів роботи абсорбційно-десорбційних апаратів.
У порядку розробки науково-технічних основ розрахунку й конструювання високоефективних колонних апаратів з тарілками з двома зонами контакту фаз, обладнаних переливними пристроями з сітчастими сепараторами, уперше виконано такі дослідження та розробки.
Досліджено гідродинаміку та масовіддачу тарілки з двома зонами контакту фаз, обладнаної перелівними пристроями з сітчастими сепараторами та конічними розподільниками рідини. Одержано математичні залежності для визначення основних гідродинамічних параметрів роботи та коефіцієнтів масовіддачі для барботажної і плівкової зон тарілки з урахуванням впливу характеристики сіток сітчастих сепараторів та фізико-хімічних властивостей рідинної фази.
Досліджено макрокінетику абсорбції ацетилену трибутилфосфатом на ситчастій тарілці при мінусових температурах і доказано застосовність математичних залежностей для розрахунку коефіцієнтів масовіддачі, одержаних на стандартних середовищах, для розрахунку процесу абсорбції шкідливих домішок з етилен-пропіленової фракції при очистці останньої трибутилфосфатом.
Розроблено методику розрахунку абсорбера для очистки етилен-пропіленової фракції методом фізичної абсорбції трибутилфосфатом.
Точність розробленої методики розрахунку абсорбційно-десорбційної колонної апаратури перевірена в промислових умовах на розробленій автором дослідно-промисловій установці.
Відповідно з поставленою метою досліджень автор розробив також науково-технічні основи високоефективних прямоточних колонних реакторів для суміщенного газорідинного алкілування бензолу етилен-пропіленовими фракціями в присутності рідинного каталізаторного комплексу хлориду алюмінію з забезпеченням умов направленого проходження процесів алкілування бензолу олефінами та переалкілування поліалкілбензолів на бензол. У цьому напрямку виконано уперше такі дослідження і розробки.
Експериментально показано, що присутність пропілену в етилені активує процес алкілування бензолу і не спричиняє відчутного підвищення кубових залишків. Це стало основою для обгрунтування доцільності створення реакторів для суміщеного алкілування бензолу етилен-пропіленовими фракціями в присутності рідинного каталізаторного комплексу хлориду алюмінію.
Досліджено гідродинаміку колонного реактора з висхідним прямотоком газорідинного потоку, секціонованого по висоті клапанними тарілками й одержано відповідні математичні залежності для визначення гідродинамічних параметрів роботи реактора.
Розроблено методику розрахунку прямоточного колонного реактора, секціонованого клапанними тарілками, для трифазного газорідинного алкілування бензолу етилен-пропіленовими фракціями в присутності рідинного каталізаторного комплексу хлориду алюмінію та перевірено точність цієї методики на модельній установці в умовах використання реальних середовищ.
Як результат, уперше розроблено науково-технічні основи нової ресурсо- й енергозберігаючої ХТС сумісного виробництва етилбензолу і кумолу на базі попутних етилен-пропіленових фракцій. Дано структурну характеристику цієї ХТС, виконано якісний аналіз показників екологічності та гнучкості, зроблена економічна оцінка основних показників системи. Показано, що розроблена ХТС має широкі перспективи для впровадження в повному обсязі в Україні.
Теоретична значимість досліджень зводиться до наступного.
Виконано теоретичне й експериментальне обгрунтування доцільності використання трибутифосфату як абсорбенту для очистки етилен-пропіленових фракцій в умовах використання останніх для алкілування бензолу в присутності хлориду алюмінію.
Досліджено закономірності розчинення компонентів етилен-пропіленових фракцій у трибутилфосфаті.
Уперше математично розв’язано задачу системи диференційних рівнянь перетоку рідини через сітчастий сепаратор переливного пристрою барботажної тарілки та одержано рівняння для визначення перепускної здатності переливного пристрою по рідині в залежності від гідродинамічних параметрів роботи тарілки.
Розкрито механізм сепаруючої дії сітчастого сепаратора в умовах сепарації газорідинного шару барботажної зони тарілки при використанні рідин, що не піняться, та зроблені відповідні теоретичні викладки.
Дано наукове пояснення ефекту забезпечення високої перепускної здатності по рідині сітчастого сепаратора в умовах роботи барботажної тарілки.
Пояснено ефект саморегулювання гідродинамічного режиму роботи барботажної тарілки за рахунок переливних пристроїв з сітчастими сепараторами.
Показана можливість масштабного переходу для тарілок, обладнаних рівномірно розподіленими по площі тарілки переливними пристроями з сітчастими сепараторами, шляхом сумування барботажних зон тарілки, еквівалентних одному переливному пристрою.
Дано наукове пояснення високої ефективності масообміну барботажних тарілок з двома зонами контакту фаз з переливними пристроями, обладнаними сітчастими сепараторами.
Розроблено й сформульовано основні положення теорії суміщеного газорідиного алкілування бензолу сумішшю етилену з пропіленом.
Виконано аналіз реакційно-масообмінного процесу в трифазній газорідинній системі в умовах алкілування бензолу олефінами в присутності рідинного каталізаторного комплексу хлориду алюмінію. У результаті показано, що в розглядуваних умовах в основу розрахунку прямоточних колонних реакторів, секціонованих тарілками, може бути взято час перебування рідинної фази у зоні реакції, необхідній для завершення процессу переалкілування поліалкілбензолів на бензол.
Практичне значення одержаних результатів.
Одержано експериментальні дані, що характеризують фізико-хімічні властивості трибутилфосфату, та дані з розчинності компонентів етилен-пропіленових фракцій у трибутилфосфаті, які представляють спеціальний і загальний інтерес і можуть бути використані в довідковій літературі.
Розроблено методики інженерного розрахунку основних процесів та апаратів установок очистки етилен-пропіленових фракцій методом фізичної абсорбції трибутилфосфатом.
Розроблено конструкцію промислового абсорбера з тарілками з двома зонами контакту фаз, обладнаного переливними пристроями з сітчастими сепараторами, для здійснення процесу абсорбції шкідливих домішок з етилен-пропіленової фракції трибутилфосфатом.
Розроблено й упроваджено у виробництво технологічну установку з очистки попутної етилен-пропіленової фракції методом фізичної абсорбції трибутилфосфатом.
Науково-технічні матеріали розробленої технологічної установки очистки попутної етилен-пропіленової фракції використано УкрДІАП при розробці техніко-економічного обгрунтування забезпечення виробництва стирольних пластиків в Україні вітчизняною сировиною.
Розроблено методику інженерного розрахунку реакційно-масообмінної апаратури установки суміщеного газорідинного алкілування бензолу етилен-пропіленовими фракціями в присутності хлориду алюмінію.
Розроблено конструкцію промислового прямоточного колонного реактора, секціонованого по висоті клапаннними тарілками, для здійснення суміщеного газорідинного алкілування бензолу етилен-пропіленовими фракціями в присутності хлориду алюмінію.
Розроблено технологічну установку для суміщеного газорідинного алкілування бензолу етилен-пропіленовими фракціями в присутності хлориду алюмінію.
Розроблено науково-технічні основи нової ресурсо- й енергозберігаючої ХТС для сумісного виробництва етилбензолу і кумолу на базі етилен-пропіленових фракцій різного походження.
Створено перспективи для використання попутних вуглеводневих газів таких як зворотний коксовий газ та гази каталітичного крекінгу нафтових фракцій для комплексної переробки в аміак, етилбензол, кумол та інші продукти з вирішенням екологічних проблем.
Особистий внесок здобувача. Усі теоретичні дослідження здійснено автором особисто. Результати досліджень, що виконані в співавторстві, одержано за участю автора на всіх етапах роботи. Автору належать наукові ідеї та формулювання проблеми дослідження, формулювання та розробка теоретичних положень, постановка задачі, інтерпретація результатів та розробка рекомендацій.
Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на таких конференціях, семінарах, нарадах: на науково-технічній раді Всесоюзного науково-дослідного технологічного інституту з одержання й переробки низькомолекулярних олефінів у 1970 році, м. Баку; на вченій раді Державного інституту азотної промисловості в 1971 році, м. Москва; III Республіканській конференції “Підвищення ефективності й удосконалення процесів та апаратів хімічних виробництв”, 1973 р. м. Львів; на науково-технічному активі Дніпродзержинської філії державного інституту азотної промисловості та продуктів органічного синтезу, 1982р., м. Дніпродзержинськ; на науково-технічній раді азотнотукового виробництва Новоліпецького металургійного комбінату, 1984р., м. Ліпецьк, (Росія); міжнародній конференції з екологізації промислового виробництва Придніпров’я і Причорномор’я, 1995р., м. Дніпропетровськ; всеукраїнській науково-практичній конференції “Відходи та їх використання”, м. Дніпропетровськ, 1995р.; міжнародній науково-практичній конференції “Екологізація виробництва і керування відходами”, м. Дніпропетровськ, 1996р.; на раді з наукового напрямку Дніпродзержинського державного технічного університету, м. Дніпродзержинськ, 1997р.; на раді з наукового напрямку Українського державного хіміко-технологічного університету, м. Дніпропетровськ 1997р.; на науково-технічній раді Українського державного інституту азотної промисловості та продуктів органічного синтезу, м. Дніпродзержинськ, 1997р.; на науково-технічній раді ВО «Дніпроазот», м.Дніпродзержинськ, 1998р.
Публікації. По матеріалах дисертації опубліковано 48 робіт (29 статтей, 7 тез доповідей, отримано 8 авторських свідоцтв і 4 патенти України).
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 9 розділів, висновків та списку використаних літературних джерел. Робота викладена на 317 сторінках і має 24 таблиці, 66 рисунків, 216 літературних джерел. Додатки до дисертації представлено окремим томом (Том 1).
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ
У вступі охарактеризовано сучасний стан виробництва етилбензолу і кумолу взагалі і, зокрема, в Україні. Розкрито широкі перспективи сумісного виробництва етилбензолу і кумолу на базі попутних етилен-пропіленових фракцій. Визначено науково-технічний рівень цього виробництва та проблеми, що потребують свого розвязання. Обгрунтовано актуальність дисертаційної роботи і сформульвано мету та завдання наукового дослідження.
У розділі 1 виконано огляд літератури за темою дисертації, визначено основні напрямки досліджень та їх об’єм.
Розділ 2 присвячено дослідженню і розробці фізико-хімічних основ нових процесів та апаратів очистки етилен-пропіленових фракцій методом фізичної абсорбції трибутилфосфатом.
Досліджено залежність густини, поверхневого натягу та вязкості трибутилфосфату від температури. Одержано відповідні рівняння для їх розрахунків:
(1)
(2)
(3)
де -густина, кг/м3; -поверхневий натяг, Н/м; -в’язкість, Н.с/м2;
T - температура, К.
Рівняння (1) дійсне в межах температур від 253 до 303К; рівняння (2) - від 233 до 303К; рівняння (3) - від 243 до 303К.
Досліджено розчинність етилену, пропілену, ацетилену, дивінілу та сіркооксиду вуглецю в трибутилфосфаті.
Результати обробки експериментальних даних свідчать про те, що залежність розчинності етилену від температури і тиску підлягає закону Генрі й описується рівнянням:
P2=KгN2 (4)
Залежність розчинності всіх інших компонентів від температури і тиску має більш складний характер і описується рівнянням вигляду:
(5)
де P2 - рівноважний тиск газу над розчином, бар; Кг - константа Генрі, бар; N2 - мольна частка газу в розчині; С і D -коефіцієнти; ; A - коефіцієнт, залежний від тиску і температури розчинення; T - температура розчинення, К; R - газова постійна. Одержані при цьому значення величин lgKг і , коефіцієнтів С і D та диференціальних теплот Q розчинення газів у трибутилфосфаті наведено відповідно в табл. 1, 2, і 3.
Таблиця 1
Значення lgKг для досліджених систем
|
Компонент |
Температура, К |
|||||
|
313 |
293 |
273 |
253 |
233 |
223 |
|
|
Етилен |
1,6630 |
1,5420 |
1,4120 |
1,2520 |
1,0520 |
0,9930 |
|
Пропілен |
1,1630 |
0,9275 |
0,5675 |
|||
|
Ацетилен |
0,9012 |
0,6400 |
0,3404 |
-0,0065 |
-0,4130 |
-0,6435 |
|
Дивініл |
0,6140 |
0,3730 |
0,0925 |
-0,0233 |
||
|
Сіркооксид вуглецю |
1,0241 |
0,8283 |
0,6038 |
0,3438 |
0,0391 |
-0,1285 |
Таблиця 2
Значення для досліджених систем
|
Компонент |
Температура, К |
|||||
|
313 |
293 |
273 |
253 |
233 |
223 |
|
|
Етилен |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
Пропілен |
-0,275 |
-0,290 |
-0,329 |
|||
|
Ацетилен |
-1,258 |
-1,285 |
-1,306 |
-1,335 |
-1,368 |
-1,390 |
|
Дивініл |
-0,183 |
-0,194 |
-0,203 |
-0,213 |
||
|
Сіркооксид вуглецю |
-0,196 |
-0,200 |
-0,204 |
-0,208 |
-0,212 |
-0,214 |
Таблиця 3
Значення коефіцієнтів C і D та диференцальних
теплот Q розчинення у трибутилфосфаті
|
Компоненти |
C |
D |
Q, кДж/кмоль |
|
Етилен |
3,450 |
-560,6 |
10700 |
|
Пропілен |
3,673 |
-786,0 |
15050 |
|
Ацетилен |
4,731 |
-1199,4 |
21400 |
|
Дивініл |
4,182 |
-1117,0 |
23000 |
|
Сіркооксид вуглецю |
3,895 |
-899,0 |
17250 |
У розділі 3 зроблено оцінку трибутилфосфату як абсорбенту для очистки етилен-пропіленових фракцій методом фізичної абсорбції.
Показано, що трибутилфосфат має значно вищу абсорбційну ємність у порівнянні з відомими абсорбентами такими як диметилформамід, ацетон, метанол та N-метилпіролідон по відношенню до ацетилену, дивінілу та сіркооксиду вуглецю - шкідливих домішок етилен-пропіленових фракцій. При цьому трибутилфосфат має більш високе значення селективності по відношенню до сіркооксиду вуглецю (ключової шкідливої домішки), ніж відомі абсорбенти. Причому, ця селективність зростає зі зниженням температури і підвищенням парціального тиску.
Показано, що трибутил-фосфат як абсорбент доцільно застосовувати при температурі не нижче 250 К, бо зі зростанням в’язкості виникають труднощі з транспортуванням абсорбенту й організацією тепло-масообміну.
У цьому ж розділі наводяться дані з дослідження впливу трибутилфосфату на про-цес алкілування бензолу в при-сутності хлориду алюмінію.
Експериментально показано, що трибутилфосфат у присутності хлориду алюмінію миттєво реагує з бензолом з утворенням бутилбензолу і фосфорної кислоти. Остання підвищує активність каталізаторного комплексу хлориду алюмінію. Тому попадання пари трибутилфосфату в реактор алкілування разом з очищеною етилен-пропіленовою фракцією не викличе відчутного зниження активності каталізаторного комплексу, тим паче, що парціальний тиск пари трибутилфосфату в очищеній етилен-пропіленовій фракції невідчутно малий, бо температура кипіння трибутилфосфату під атмосферним тиском складає +289оС.
Таким чином, усі одержані дані характеризують трибутилфосфат як найбільш підхожий високоефективний абсорбент для очистки етилен-пропіленових фракцій.
Розділ 4 присвячений розробці технологічних основ нових процесів та апаратів очистки етилен-пропіленових фракцій методом фізичної абсорбції трибутилфосфатом.
Викладено матеріали, повязані з розробкою алгоритмів розрахунку величини і складу матеріальних потоків двох найбільш перспективних схем очистки етилен-пропіленових фракцій від шкідливих домішок методом фізичної абсорбції три-бутилфосфатом.
При розробці цих алгоритмів виходили з припущення про досяг-нення рівноваги по ключовому компоненту на кінцях абсорбера і десорберів. Основні рівняння розробленого алгоритму стосовно до рекомендованої схеми, представленої на рис. 2, наведено нижче.
(6)
(7)
(8)
(9)
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
У рівнянні (17) Пі – втрати етилену чи пропілену з абсорбентом.
Зроблено також економічну оцінку обох варіантів схем очистки етилен-пропіленових фракцій. При цьому, в основу економічної оцінки взято витрати на віддуваючий азот та охолодження й перекачку абсорбенту.
У результаті показана можливість очистки етилен-пропіленових фракцій від шкідливих домішок до необхідних норм і, при потребі, можливість окремо виділити етан-етиленову, пропан-пропіленову і бутан-бутіленову фракції.
Показано, що загальні витрати на очистку етилен-пропіленових фракцій методом фізичної абсорбції трибутилфосфатом при мінусових температурах залежать в значній мірі від енерговитрат на охолодження абсорбенту. У результаті собівартість етилен-пропіленових фракцій підвищується на 13-15%, Визначено також економічновиправдані температуру і тиск в абсорбційно-десорбційній апаратурі, необхідні для розрахунку цієї апаратури й упровадження її у виробництво. Показано, що за заданим значенням абсолютного тиску в апаратах (бар), Р1=4; Р2=1.2; Р3=1.3 відповідні їм значення температур (К) повинні бути в межах: Т1=263…258; Т2=273…278; Т3=293.
Розділ 5 присвячено дослідженню ї розробці абсорбційно-десорбційної апаратури для очистки етилен-пропіленових фракцій методом фізичної абсорбції трибутилфосфатом при мінусових температурах.
Основні вимоги при виборі конструкції абсорбційно-десорбційної апаратури зводяться ло наступного:
Висока компактність і простота конструкції.
Достатня технологічна і конструктивна гнучкість.
Висока ефектівність роботи.
Рис.3. Тарілка з двома зонами контакту фаз, обладнана переливними пристроями з сітчастими сепараторами та конічними розподільниками рідини: 1 - ситчасте полотно тарілки; 2 - конусний зливний патрубок; 3 - конусний розподільник рідини; 4 - сітчастий сепаратор; 5 – поріжок
Зважаючи на сформульовані вимоги, для оформлення абсорбційно-десорбційних процесів очистки етилен-пропіленових фракцій вибрано колонні апарати з тарілками з двома зонами контакту фаз, обладнаними переливними пристроями з сітчастими сепараторами та конічними різподільниками рідини.
Оптимізацію основних конструктивних елементів запропонованої конструкції тарілки разом з переливними пристроями з сітчастими сепараторами здійснено з урахуванням літературних та розрахункових даних. Були взяті також до уваги результати попередньоздійснених пошукових досліджень та необхідність забезпечення технологічності виготовлення окремих конструктивних елементів тарілки. Конструктивна схема тарілки показана на рис.3.
При відстані між тарілками Hт=0,3 м були взяті (м): hк=0,095; dк=0,030; Hc=0,150; hп=0,005; t=0,015; d0=0,0038; h1=0,015; =0,006; Dc=0.050; dр=0.048; =1200; =13024’ і при дослідженні не змінювались.
Виконано теоретичний аналіз гідродинаміки переливних при-строїв з сітчастими сепараторами з метою одержання математичного рівняння з визначення їх пере-пускної здатності по рідині в залежності від гідродинамічних параметрів роботи тарілки, фізич-них властивостей газорідинних систем та характеристики пере-ливних пристроїв. При цьому допу-скалось, що на сітчастих сепа-раторах має місце повне відо-кремлення газової фази від рідини. Схема роботи сітчастого сепа-ратора, прийнята при його аналізі, показана на рис.4.
Основним рушійним фактором витікання рідини через сітку сепаратора є напір, обумовлений тиском газорідинного шару. Рідина протікає через всю змочену газорідинним шаром поверхню сітки, не блоковану газовими бульками; величина цієї поверхні сітки визначається за формулою:
(19)
де с – вільний переріз сітки; - вільний переріз сітки, блокований бульками газу.
При високотурбулізованім режимі роботи тарілки і невисоких запасах рідини на тарілці (до 0,06 м) можна припустити з деяким наближенням, що епюра розподілення гідростатичного напору, створюваного тиском газорідинного шару, має форму трикутника, нижня основа якого рівна величині запасу рідини на тарілці hcm, а висота трикутника рівна висоті газорідинного шару Hn. Таким чином, швидкість витоку по висоті сітчастого сепаратора буде різною. Тому таке витікання можна розглядати як витікання через прямокутний отвір великого розміру з місцевим опором у вигляді сітки. Відповідно з рис.4 площа живого перерізу смужки довжиною Dc і висотою dх на відстані х від площини тарілки виразиться як:
(20)
При сталому русі перетік рідини через виділену елементарну площадку складає:
(21)
Для визначення швидкості рідини Ux використаємо відоме рівняння Д.Бернулі для перерізу 1-1 і 2-2
(22)
де P1/L, P2/L - напори, обумовлені тиском газу в області розглядуваних перерізів, м;
hW2 - утрати напору для випадку однофазної течії рідини через сітку, що визначаються за відомою формулою Вейсбаха: ; тут hcmx- гідростатичний напір, створюваний тиском газорідинного шару на висоті x від площини тарілки, м; - додатковий напір, створюваний потоком газорідинного шару, м.
Як показав аналіз, величиною додаткового напору можна знехтувати. Помилка в розрахунку при цьому не буде перевищувати 3,5%. Ураховуючи також, що P1=P2 і значення 2 у цьому випадку можна прийняти рівним одиниці, після відповідних перетворень розв’яжемо рівняння (22) відносно hcmx:
(23)
Підставляючи в рівняння (23) вираз для визначення критерію Re, одержимо:
(24)
Після позначення через a i 22Lg/dяL через b,
рівняння (24) набуде вигляду:
(25)
Розв’язання рівняння (25) відносно Ux з підстановкою в нього hcmx=hcm(Hn-x)/Hn дає:
(26)
Підставивши вираз (26) у рівняння (19) і проінтегрувавши його в границях від hn до Hn, одержимо рівняння для визначення перепускної здатності по рідині Q сітчастого сепаратора в умовах роботи барботажної тарілки:
(27)
Для рішення рівняння (27) необхідно знати гідродинамічні параметри Hn, hcm та долю поверхні сітки , блоковану газовими бульками. У результаті обробки великого масиву експериментальних даних, одержаного автором на різних газорідинних системах на сітках, забезпечуючих практично повне відділення газу від рідини (сітка з dя менше 0,0007 м), визначено величину . Остання виявилась рівною 0,84.
Рівняння (27) може бути розв’язане відносно hcm. Тоді:
(28)
Рівняння (28) можна розв’язати за методом Ньютона або простою ітерацією після підстановки в нього виразу для визначення Hn.
Виконано експериментальні дослідження залежності висоти газорідинного шару Hп на ситчастій тарілці від гідродинамічної обстановки на тарілці та фізичних властивостей газорідинних систем. У результаті одержано рівняння:
(29)
де hcm - запас рідини на тарілці, м; Fr=W2к.пр /(g hcm) - критерій Фруда; Wк.пр -приведена швидкість газу в колоні, м/с; g - прискорення сил земного тяжіння, м/с2; - в’язкість рідини ,Н с/м2; - поверхневий натяг рідини, Н/м.
Рівняння (29) дійсне в межах від 1,306.10-3 до 37,1.10-3 Н*с/м2 і від 27,53.10-3 до 74,01.10-3 Н/м. Тут і далі кореляція дослідних точок з розрахованими за одержаними формулами не виходить за межі (12 20%).
Досліджено верхню границю стійкої роботи тарілки з двома зонами контакту фаз, обладнаної переливними пристроями з сітчастими сепараторами. За параметр, що характеризує верхню границю стійкої роботи тарілки прийнята гранично допустима швидкість газу W0max в отворах барботажного полотна тарілки. Показано, що при наявності в переливних пристроях сітчастих сепараторів останні істотно впливають на роботу цих пристроїв і тарілки в цілому. Чим краще сепарація газорідинної емульсії на сітці, тим більш освітлена рідина буде попадати в переливні пристрої і тим вищою буде пропускна здатність по рідині переливного пристрою тарілки в цілому, а, таким чином, і вище верхня границя стійкої роботи тарілки. Результати досліджень, наведених на рис.5, свідчать про те, що величина еквівалентного діаметра dя чарунок сітчастих сепараторів переливних пристроїв істотно впливає на верхню границю роботи тарілки. Оптимальна область значень dя сітки сепаратора в умовах барботажної тарілки знаходиться в межах від 0,0002 до 0,0004 м.
Варто думати, що при dя сі-ток в межах до 0,0004 м має місце практично повне відо-кремлення газу від рідини.
Дані досліджень, що наведені на рис. 6, свідчать про те, що верхня границя стійкої роботи тарілки з сіт-частими сепараторами в до-слідженій області мало зале-
жить від живого перерізу с сіток сітчастих сепараторів. Про це говорить близькість розташування кривих 1,2,3,4 на рис.6 при значній різниці параметра с, що змінювався в межах від 26 до 53%. Таке явище можна пояснити тим, що зменшення с автома-тично призводить до росту висоти газорідинного шару Hn і запасу рідини hcm на тарілці до моменту забез-печення необхідної площі зливу, починаючи з якої робота тарілки стабілізується. Саморегулювання в широкому діапазоні витрат рідини через переливні пристрої характерна особливість тарілок з переливними пристроями з сітчастими сепараторами. Ця особливість тарілки запропонованої конструкції гарантує їй надійну роботу в умовах часткового
блокування чарунок сітчастих сепараторів як за рахунок газових бульок, так і за рахунок емульсійних і дисперсних зависів. Верхня границя стійкої роботи такої тарілки на 40 - 50% вища, ніж в аналогічних тарілках без сітчастих сепараторів, про що свідчать дані графіків, наведених на рис.6. Це дозволяє в запропонованій тарілці зменшити частку її площі, зайняту під переливні пристрої до 57% і забезпечує максимальну щільність зрощення тарілки на рівні 60 - 75 м3 /(м2* г).
Експериментальним шляхом одержано рівняння (30) для визначення величини запасу рідини hcm на тарілці з сітчастими сепараторами:
(30)
де Wк.пр - приведена швидкість газу у вільному перерізі колони, м/с; - інтенсивність зрощення переливних пристроїв тарілки, м3/(м г); - навантаження тарілки по рідині, м3/ г; Dc - діаметр сітчастого сепаратора, м; с - вільний переріз сітки сітчастого сепаратора; n - число переливних пристроїв; hn - висота монтажного поріжка, м; dя - еквівалентний діаметр чарунок сітки сітчастого сепаратора, м; L, L - відповідно динамічна в’язкість (Н.с/м2) та поверхневий натяг (Н/м) абсорбенту; a, a - відповідно динамічна в’язкість та поверхневий натяг води.
Рівняння (30) дійсне в межах: i=518 м3/(м.г); hn=0,0050,010м; dя=0,000370,00159 м; L=0,0270,074 Н/м; L=0,00080,037 Н.c/м2.
Розроблено методику розрахунку верхньої границі стійкої роботи тарілки, обладнаної переливними пристроями з сітчастими сепараторами і конічними розподільниками рідини (рис.3). При цьому були використані такі вихідні умови:
(31)
де hк - висота конусного патрубка, м; hn - висота поріжка, м; hc - втрати напору газу на подолання опору сухої тарілки, м; h - втрати напору газу на здолання сил поверхневого натягу, м; hl - втрати напору рідини в переливнім патрубку за рахунок сил тертя, м; h - гідростатичний напір, забезпечуючий визначені витрати рідини через переливний патрубок, м; hcm - запас рідини на тарілці, м.
При відстані між тарілками 0,3 м hк і hn рекомендується брати відповідно 0,095 і 0,005 м. Проте треба зауважити, що зі збільшенням відстані між тарілками, пов’язанім, наприклад, зі збільшенням діаметра колони, величини параметрів hк і hn можуть дещо зростати. А це останнє викличе ріст верхньої границі стійкої роботи тарілки. Параметри hc і h визначаються за описаними в літературі рівняннями. Параметри hl і h розраховуються з урахуванням конструктивних особливостей запропонованої тарілки. Для визначення параметра hcm пропонуються одержані рівняння (28) або (30). Дотримуючись прийнятого порядку запису параметрів у рівнянні (31), кінцевий вигляд цього рівняння буде:
(32)
де hк , hn, d0, dк - конструктивні параметри тарілки та переливних пристроїв з сітчастими сепараторами, що представлені на рис.4; n - число переливних пристроїв; Qт - навантаження тарілки по рідині, м3/с; L і G - питома вага рідини і газу, Н/ м3; L - поверхневий натяг рідини, Н/ м; - коефіцієнт опору потоку газу через отвори полотна тарілки, рівний 1,8 - 1,9; - коефіцієнт гідравлічного тертя; - коефіцієнт витрати рідини через конічний патрубок при куту , рівному 13024’; =3,14; g - прискорення сил земного тяжіння, рівне 9,8 м/с2; hcm визначається за рівнянням (30).
Через те, що W0max входить і у вираз для визначення hcm, то рішення рівняння (32) відносно W0max можливе ітераційним методом.Для порівняння на рис.8 показані результати розрахунку верхньої границі стійкої роботи тарілки
за рівняннями (32) і (30) та дослідні дані, одержані на тарілці діаметром 0,525 м на системі вода повітря. Як видно з даних рис.7, розрахункові значення W0max, одержані за рівнянням (32), лежать дещо нижче дослідних значень. Це можна пояснити тим, що дослідні значення W0max відповідають моменту захлинання, а розрахункові – максимально можливому значенню стійкої роботи тарілки. Графічні дані, наведені на рис. 7, підтверджують придатність рівняння (32) для визначення верхньої границі стійкої роботи тарілки, обладнаної переливними пристроями з сітчастими сепараторами.
Розроблено також методику розрахунку загального гідравлічного опору тарілки з двома зонами контакту фаз, обладнаної переливними пристроями з
сітчастими сепараторами і коніч-ними розподільниками рідини. Ви-хідні умови розробки цієї методики зводяться до наступного:
Рзаг=Рс+Р+Рcm+Рп л, Па (33)
де Рзаг - загальний гідравлічний опір тарілки; Рс - опір сухої таріл-ки, Па; Р - опір тарілки, обумов-лений силами поверхневого натягу, Па; Рcm - опір газорідинного шару на тарілці, Па; Рпл - опір плівкової зони тарілки, Па. Параметри Рс і Р визначаються за описаними в літературі рівняннями. Параметр Рcm визначається як Рcm=hсm L з використанням значення hсm, розрахованого за рівнянням (30) або (28), а Рпл визначається за одержаною нами формулою як:
(34)
З урахуванням сказаного, кінцевий вигляд рівняння (33) буде:
(35)
Рівняння (35) дозволяє з високою точністю розрахувати Рзаг. Гарантом цієї точності є висока точність визначення Рcm та Рпл.
Далі у цьому розділі наведено результати дослідження масовіддачі на тарілці з двома зонами контакту фаз, обладнаної переливними пристроями з сітчастими сепараторами і конічними розподільниками рідини.
Аналіз одержаних експериментальних даних показує, що на величину коефіцієнта масовіддачі в газовій фазі барботажної зони тарілки впливають приведена швидкість газу Wк.пр. і щільність зрощення L. Зі збільшенням цих параметрів у дослідженій області незмінно зростає. При цьому величина коефіцієнта масовіддачі всього контактного ступеня (тарілки) при різних Wк.пр. приблизно рівна сумі коефіцієнтів масовіддачі барботажної і плівкової зон. При цьому величина складає 25 - 27% від .
Як свідчать експериментальні дослідження, запропонована тарілка має високу ефективність в газовій фазі. Так, ефективність барботажної зони тарілки досягає 82 - 85%, плівкової зони досягає 40 - 50%, а загальна ефективність - 90 - 95%. , та у дослідженій області параметрів мало залежать від швидкості газу в колоні Wк.пр., тобто ефективність тарілки по газовій фазі є стабільною в широкому діапазоні Wк.пр..
При обробці експериментальних даних з метою одержання рівнянь для визначення були взяті до уваги роботи відомих вчених Г.П.Соломахи, О.С.Чехова. У результаті були одержані рівняння для барботажної зони тарілки:
=7,69 (36)
і для барботажної та плівкової зон:
=7,13 (37)
За даними Г.П. Соломахи рівняння типу (36) і (37) можна представити в критеріальній формі. При цьому, зважаючи на підвищену в’язкість трибутилфосфату як абсорбенту, доцільно ввести поправку відповідно з рекомендаціями Г.П. Соломахи. Кінцевий вигляд одержаних рівнянь в критеріальній формі буде:
для барботажної зони тарілки:
(38)
і для барботажної та плівкової зон:
(39)
де і - критерії Нусельда, рівні відповідно і ; We критерій Вебера, рівний ; - критерій Прантля, рівний ; і - в’язкість відповідно абсорбенту і води, Н.с/м2; - критерій Рейнольдса, рівний Wк.пр.* hcm/G.
Оцінка кінетики масообміну в газовій фазі досліджуваної тарілки показала, що при аналогічних умовах, значення для цієї тарілки на 20-30% вищі, ніж для звичайних ситчастих, і близькі до таких тарілок з двома зонами контакту фаз без сітчастих сепараторів.
Дослідження масовіддачі в рідинній фазі барботажної зони запропонованої тарілки показало, що коефіцієнт масовіддачі для цієї зони в межах Wк.пр. від 0,3 до 1,0 м/с мало залежить від величини Wк.пр і зростає зі зростанням щільності зрошення тарілки L. Це дало можливість при обробці експериментальних даних використати степінну функцію залежності від hcm і газонаповнення , що не суперечить літературним даним. У результаті одержано рівняння вигляду:
(40)
тут - поправочний коефіцієнт Герстера, ураховуючий вплив на в’язкості рідини і дифузії газу в рідині: .
Оцінка кінетики масообміну в рідинній фазі барботажної зони досліджуваної тарілки була виконана в порівнянні значень даної тарілки з ситчастою тарілкою з закритим переливом. Показано, що при аналогічних умовах значення для барботажної зони досліджуваної тарілки не на багато поступаються для звичайних ситчастих тарілок з перехресною течією рідини.
При узагальнені експериментальних даних з дослідження кінетики масообміну в рідинній фазі плівкової зони тарілки одержано рівняння:
(41)
Як показує аналіз експериментальних даних, значення складають 14 15% від значень .
У результаті здійснених досліджень показано, що запропонована тарілка має високу ефективність в широкому діапазоні змін навантажень по газу й рідині і не поступається аналогічним тарілкам без сітчастих сепараторів і тарілкам з закритими переливними пристроями.
У цьому розділі також пред-ставлені дані з експериментального дослідження макрокінетики абсо-рбції ацетилену на ситчастій тарілці при мінусових температурах. Спе-ціально розроблена оригінальна конструкція експериментальної ус-тановки та умови здійснення експе-риментів представлені в дисертації.
На рис.8 (а, б) систематизо-вані у вигляді графіків результати дослідження залежності коефіці-єнтів масопередачі KGf від кон-центрації ацетилену в газі на вході на тарілку yвх при різних значеннях Wк.пр. і hcm. Із даних рис.8 випливає, що KGf мало залежить від yвх та Wк.пр. і в більшій мірі залежить від hcm. Дослідні і розрахункові зна-чення KGf добре корелюються. Розкид точок є близьким до 20%.
Таким чином, виходячи з одержаних даних з абсорбції ацетилену трибутилфосфатом, можна зробити висновок про те, що рівняння, одержані в стандартних умовах для розрахунку масопередачі на тарілках з двома зонами контакту фаз, обладнаних переливними пристроями з сітчастими сепараторами, можуть бути використані для розрахунку абсорбційно-десорбційної апаратури процесу очистки етилен-пропіленових фракцій від шкідливих домішок шляхом абсорбції їх трибутилфосфатом при мінусових температурах.
Представлені також вихідні дані та основні положення розробленої методики розрахунку абсорбера для очистки етилен-пропіленової фракції методом фізичної абсорбції трибутилфосфатом.
При розробці методики розрахунку абсорбера прийнято його протиточну схему зі ступінчастим контактом. При цьому були взяті до уваги такі умови: 1) абсорбція є багатокомпонентною; 2) як ключовий компонент вибрана найбільш важкорозчинювана шкідлива домішка, якою є сіркооксид вуглецю; 3) абсорбент - нелетка рідина. Основні положення такої методики в загальному вигляді охарактеризовані у відомій монографії В.М.Рамма.
Основним завданням при розробці методики розрахунку розглядуваного абсорбера є конкретизація її з використанням одержаних нами даних, що стосуються фізичних властивостей трибутилфосфату, розчинності газових компонентів етилен-пропіленової фракції в трибутилфосфаті, а також даних з гідродинаміки та масопередачі контактних тарілок з двома зонами контакту фаз, обладнаних переливними пристроями з сітчастими сепараторами. Зокрема на стадії розрахунку концентрації j-го компонента на к-ій тарілці абсорбера були використані рівняння з визначення розчинності компонентів етилен-пропіленової фракції в трибутилфосфаті, одержані для чистих компонентів. Тобто, ці формули ураховують вплив на розчинність тільки концентрації одного j-го компонента. У даному випадку це допустимо, бо парціальний тиск компонентів у газовій фазі порівняно невисокий. Це спонукало у формулі для визначення ефективності тарілки Ejk використати коефіцієнт . Були також уточнені формули для визначення прогіночних коефіцієнтів Ujk, Vjk та Wjk у рівнянні для розрахунку j - го компонента на к-тій тарілці, що має вигляд:
(42)
Уточнені формули для визначення указаних прогіночних коефіцієнтів наводяться нижче.
(43)
(44)
(45)
(46)
У рівняння (42) - (46) входять: Xjk - мольна концентрація j-го компонента в абсорбенті на k-тій тарілці, віднесена до чистого абсорбенту; Ejk - ефективність k-тої тарілки; mjk - константа фазової рівноваги j-го компонента в умовах k-тої тарілки, бар; , тут - рівноважна концентрація j-го компонента в газовій фазі в умовах k-тої тарілки, N2jk - рівноважна концентрація j-го компонента в рідинній фазі в умовах k-тої тарілки; , тут LN - витрати абсорбенту на вході в абсорбер, кмоль/г; Ljk - витрати абсорбенту по j-ому компоненту на k-тій тарілці, кмоль/г; l=LN/G1, тут G1 - витрати газу на вході в абсорбер, кмоль/г; gk=G1/Gk, тут Gk - витрати газу на k-тій тарілці, кмоль/г.
Результати розрахунку абсорбера для очистки етилен-пропіленової фракції з використанням розробленої методики показують, що достатньо 16 тарілок, щоб очистити цю фракцію за заданих умов до допустимої залишкової концентрації сіркооксиду вуглецю - ключової шкідливої домішки.
Точність розробленої методики розрахунку абсорбера стосовно очистки етилен-пропіленової фракції перевірена в промислових умовах і одержані позитивні результати.
Розроблено оригінальну конструкцію колонного тарілчастого абсорбера для очистки етилен-пропіленової фракції трибутилфосфатом. Для його розробки використані тарілки з двома зонами контакту фаз, обладнані переливними пристроями з сітчастими сепараторами і конічними розподільниками рідини. Абсорбер за своїми характеристиками відповідає всім вимогам очистки етилен-пропіленової фракції. Він володіє високою гнучкістю, ефективний у роботі, максимально компактний, забезпечує необхідне енергозбереження та необхідну сепарацію очищеного газу від крапель і туману трибутилфосфату. Основи розробки конструкції абсорбера захищені патентом України. Конструктивна схема абсорбера представлена в дисертації.
У розділі 6 представлено матеріали з розробки ресурсо- й енерго-зберігаючої техно-логічної установки очистки попутної етилен-пропіленової фракції методом фі-зичної абсорбції три-бутилфосфатом при мінусових темпе-ратурах та резуль-тати випробувань розробленої техно-логії й апаратури в промислових умо-вах.
Потужність установки за етилен-пропіленовою фракцією склала 2000 м3/г і задовільнила потреби цеху етилбензолу. Витрати трибутилфосфату були на рівні 30-40 м3/г. Абсолютний тиск в абсорбері 2, десорбері 8 і регенераторі 12 склав відповідно(бар): 4; 1,2; 1,3 і температура відповідно, (К):260…265; 273…280; 293…295. При випробуванні всі три масообмінні колонні апарати 2, 8, 12 мали по 16 тарілок з двома зонами контакту фаз, обладнаних переливними пристроями з сітчастими сепараторами; діаметри апаратів були відповідно рівні, м: 0,8; 1,0; 1,0. Кількість тарілок і розміри масообмінних апаратів були визначені за розробленою методикою.
Результати випробування установки очистки етилен-пропіленової фракції коксового газу наведено в дисертації. Ці результати свідчать про те, що розроблена технологія і масообмінна апаратура здатні забезпечити необхідну глибину очистки етилен-пропіленової фракції від шкідливих домішок. Для цього достатньо використати абсорбційно-десорбційні апарати з 16 тарілками, що свідчить також про точність розробленої методики розрахунку абсорбера. Розроблена дослідно-промислова установка очистки етилен-пропіленової фракції хорошо адаптована до виробничих умов і тісно пов’язана з існуючими на підприємстві технологічними й енергетичними потоками. У результаті очистки етилен-пропіленової фракції ціна її підвищилась на 14,5%. Ці витрати на очистку перекриваються декілька разів за рахунок отриманого економічного ефекту від упровадження установки очистки етилен-пропіленової фракції у виробництво. Підвищився випуск етилбензолу на 6%, знизилась його собівартість на 20%, та покращилась екологізація виробництва.
Таким чином, розроблена нова технологія й масообмінна апаратура очистки етилен-пропіленової фракції методом фізичної абсорбції трибутилфосфатом створює широку перспективу для виробництва етилбензолу і кумолу на базі етилен-пропіленових фракцій різного походження з мінімальними витратами сировини та енергії. Про оригінальність і новизну цих розробок свідчать отримані патенти та авторські свідоцтва.
Розділ 7 присвячено дослідженню і розробці реакційно-масообмінних процесів та апаратів суміщеного алкілування бензолу етилен-пропіленовими фракціями в присутності хлориду алюмінію.
Експериментально показано, що пропілен та продукти його алкілування бензолу в умовах суміщеного алкілування бензолу етилен-пропіленовими фракціями в присутності хлориду алюмінію активують процес алкілування бензолу етиленом та процесс переалкілування бензолу поліетилбензолами і не спричиняють підвищення виходу кубових залишків. Це відкриває перспективу для пошуку і розробки оптимальних конструкцій реакторів для реалізації в промисловості процесу суміщеного алкілування бензолу етилен-пропіленовими фракціями.
Виконано на локальному рівні аналіз реакційно-масообмінного процесу в умовах газорідинного трифазного алкілування бензолу олефінами в присутності мінімальнонеобхідної кількості рідинного каталізаторного комплексу хлориду алюмінію. Висказана точка зору про те, що в таких умовах процес алкілування має місце переважно у фазі алкілату, а супутній йому процес переалкілування поліалкілбензолів - у фазі рідинного каталізаторного комплексу. Зроблені пояснення механізму масопереносу в умовах багатофазної системи алкілування і переалкілування. Показано, що лімітуюча стадія всього процесу газорідинного алкілування бензолу знаходиться в рідинній фазі. І цією стадією є стадія переалкілування поліалкілбензолів, бо швидкість реакцій переалкілування поліалкілбензолів на бензол більш ніж на порядок нижча швидкості реакцій алкілування бензолу олефінами. Така обгрунтована точка зору дає можливість при розрахунку реакторів алкілування бензолу олефінами в присутності хлориду алюмінію використати час перебування рідинної маси, необхідний для проходження реакції переалкілування поліалкілбензолів на бензол як кінетичний фактор для розрахунку реактора алкілування бензолу. Правильність цієї точки зору підтверджена автором експериментально.
Показано, що для реалізації процесу суміщеного газорідинного алкілування бензолу етилен-пропіленовими фракціями в присутності хлориду алюмінію найбільш перспективними є прямоточні з висхідним газорідинним потоком колонні реактори, секціоновані по висоті клапанними тарілками. У таких реакторах при інтенсивному перемішуванні з інверсією фаз забезпечуються умови для здійснення реакцій алкілування бензолу переважно в нижній частині і переалкілування у середній і верхній при високій активності рідинного каталізаторного комплексу і рівномірнім його розподіленні по всій висоті реактора. Все це в цілому сприяє інтенсифікації процесу і зменшенню витрат сировини й енергії.
Здійснено дослідження гідродинаміки указаних реакторів. У результаті одержано відповідні рівняння для розрахунку середнього часу перебування рідинної фази в секціях реактора та гідравлічного опору секцій.
Середній час перебування рідинної фази в нижній і проміжній секціях реактора визначається відповідно за рівняннями:
(47)
(48)
Загальний гідравлічний опір нижньої і проміжної секції реактора
Па (49)
Па (50)
Гідравлічний опір газорідинного шару в нижній і проміжній секціях реактора:
Па (51)
Па (52)
Позначення параметрів, що входять у формули (47) -(52): Dp - діаметр реактора, м; Hт - відстань між секціонуючими реактор тарілками (висота секції), м; Wг і Wp - відповідно швидкості газової і рідинної фаз, віднесені до вільного перерізу реактора, м/с; г і p - відповідно густина газової і рідинної фаз, кг/м3; g - прискорення сил земного тяжіння, рівне 9,8 м/с2. Формули (47) - (52) дійсні в межах значень Hт = 0,1 - 0,3 м; L= 10 - 30 м3/(м2.г); Wг= 0,5 - 1,4 м/с.
Представлено вихідні дані та основні положення методики розрахунку прямоточного з висхідним газорідинним потоком колонного реактора, секціонованого по висоті клапанними тарілками.
Беручи до уваги, що відстань між секціонуючими тарілками запропонованого реактора не перевищує 0,3 м, в основу розробки його методики розрахунку запропоновано покласти однопараметричну гідродинамічну модель. Відповідно з останньою час перебування рідинної фази в реакторі приблизно рівний середньому часу перебування рідини, розрахований за С-кривими. Зважаючи на те, що лімітуючою стадією всього процесу в реакторі є процес переалкілування поліалкілбензолів, швидкість якого більш ніж на порядок менше швидкості алкілування, нами запропоновано спрощену методику розрахунку секціонованого реактора алкілування. В основу розрахунку покладено час перебування рідинної фази в реакторі, необхідний для здійснення лімітуючого процесу переалкілування поліалкілбензолів. Відповідно з розробленою методикою розрахунку висота реакційної зони реактора Lp визначається за рівнянням:
(53)
де n визначається як:
(54)
У рівняннях (53) і (54): Hт - висота секції, м; n - число секцій; p і ср - відповідно середній час перебування рідинної фази в реакторі, необхідний для завершення реакцій переалкілування поліалкілбензолів, та середній час перебування рідинної фази в одній секції, с.
Випробування запропонованого прямоточного колонного реактора, секціонованого по висоті клапанними тарілками на модельній установці при алкілуванні бензолу етилен-пропіленовою фракцією у присутності хлориду алюмінію підтвердили правильність розробленої методики розрахунку цього реактора. У результаті, було також показано, що процес сумісного газо-рідинного алкілування бензолу етилен-пропіленовою фракцією в присутності хлориду алюмінію може бути здійснений у промисловому масштабі з витратами на одну тонну етилбензолу (кг): хлориду алюмінію 3 - 7; бензолу 760 - 780. Це означає, що за своїми витратними коефіцієнтами по сировині виробництво етилбензолу і кумолу на базі етилен-пропіленових фракцій може бути виведено на рівень виробництв етилбензолу і кумолу на базі концентрованих етилену і пропілену.
Розроблено конструкцію колонного реактора, секціонованого по висоті клапанами тарілками для газорідинного алкілування бензолу етилено-пропіленовою фракцією в присутності хлориду алюмінію. Реактор сконструйовано за блочним принципом і запатентовано як складову частину розробленої технологічної установки алкілування бензолу етилен-пропіленовою фракцією. Конструктивну схему реактора представлено в дисертації.
У розділі 8 дано порівняльну характеристику розробленої технологічної установки трифазного газорідинного алкілування бензолу етилен-пропіленовою
Оцінку техніко-економічних та інших показників цієї установки зроблена у складі всієї розробленої ХТС у розділі 9. Основні технічні рішення розробленої установки захищено патентом України.
У розділі 9 дано характеристику запропонованої ресурсо- й енергозберігаючої хіміко-технологічної системи сумісного виробництва етилбензолу і кумолу на базі попутних етилен-пропіленових фракцій. Структурна схема ХТС включає дві технологічні установки: установку очистки попутної етилен-пропіленової фракції методом фізичної абсорбції трибутилфосфатом при мінусових температурах (рис.9) та установку суміщеного газорідинного алкілування бензолу очищеною від шкідливих домішок етилен-пропіленовою фракцією у присутності хлориду алюмінію (рис.10). Установка ректифікації алкілату умовно не віднесена до запропонованої ХТС. Наголосимо на тому, що характеристика блоків прив’язки розробленої структурної схеми ХТС до джерела одержання етилен-пропіленових фракцій залежить від складу останніх, їх тиску та температури. Блоки прив’язки можуть включати блоки компримування, осушки газу та інші. Запропонована структурна схема ХТС наведена на рис.11.
Дано характеристику гнучкості запропонованої ХТС. Проаналізовано методи і принципи її забезпечення. Показано, що в цілому розроблена ХТС володіє високою гнучкістю. Ця остання забезпечується за рахунок апаратурно-конструктивних та режимно-технологічних методів. Говорячи про апаратурно-конструктивні методи, звернемо увагу на те, що абсорбційно-десорбційні та реакційні апарати, розроблені нами, є апаратами з адаптивними пристроями і мають широкий діапазон стійкої роботи у межах 40 50%. Говорячи про режимно-технологічні методи, звертає на себе увагу широке використання рециркуляційних потоків, зміни структури газорідинних потоків та суміщення окремих технологічних процесів.
Наведено відомості про екологізацію запропонованої ХТС. Показано, що ця ХТС характеризується високим ступенем екологізації. Достатньо сказати, що на рівні установки очистки етилен-пропіленової фракції взагалі відсутні викиди в атмосферу і водоймища. А на рівні установки алкілування бензолу формується лише один потік нейтралізованої стічної води, який вміщує хлорид натрію та мінімальну кількість ароматичних вуглеводнів і може бути очищений на біологічній очистці підприємства.
Виконано аналіз економічних показників розробленої ХТС; при цьому вперше для таких ХТС використано комбінований метод роздільного визначення витрат окремо на виробництво етилбензолу і кумолу при їх сумісному виробництві на базі попутних етилен-пропіленових фракцій.
Показано, що при світовій ціні бензолу 315 дол. США за одну тонну в умовах комплексної переробки зворотного коксового газу в аміак, етилбензол і кумол прибуток на кожній тонні етилбензолу складає біля 156 дол. США і на кожній тонні кумолу - 49 дол. США. Термін окупності по обох продуктах не перевершує одного року. У таких умовах собівартість аміаку, виробленого на базі зворотного коксового газу, може бути забезпечена на рівні біля 168 дол. США за одну тонну.
Таким чином, розроблена нами ХТС дозволяє вирішити проблему виробництва етилбензолу і кумолу і відкриває широкі перспективи для комплексної ресурсо- й енергозберігаючої переробки попутних олефін-вміщуючих вуглеводневих газів. До цих вуглеводневих газів, перш за все, відносяться зворотний коксовий газ і крекінгові гази нафтопереробних та нафтохімічних виробництв.
Рис.11. Структурна схема запропонованої ХТС сумісного виробництва етилбензолу і кумолу на базі етилен-пропіленових фракцій. Технологічні потоки структурної схеми розкриті в дисертації.
ВИСНОВКИ
1. Розвинуто й обгрунтовано теоретичні основи нових процесів та апаратів, створених за принципом поздовжнього секціонування потоків, стосовно до сумісного виробництва етилбензолу і кумолу методом суміщеного газорідинного алкілування бензолу етилен-пропіленовими фракціями в присутності хлориду алюмінію.
Запропоновано для підвищення техніко-економічних показників сумісного виробництва етилбензолу і кумолу указаним методом розробити нові процеси та апарати очистки етилен-пропіленових фракцій методом фізичної абсорбції трибутилфосфатом та нові процеси і апарати суміщеного газорідинного алкілування бензолу етилен-пропіленовими фракціями в присутності хлориду алюмінію.
2. Розроблено фізико-хімічні основи процесів та апаратів очистки етилен-пропіленових фракцій методом фізичної абсорбції трибутилфосфатом.
Уперше досліджено залежність фізичних параметрів трибутилфосфату при атмосферному тиску і температурі від 253 до 303 К для густини; від 233 до 303 К для поверхневого натягу; від 243 до 303 К для в’язкості.
Уперше досліджено розчинність у трибутилфосфаті етилену, пропілену, ацетилену, дивінілу та сіркооксиду вуглецю при заданих значеннях їх парціального тиску і температурі від 223 до 313 К.
Результати досліджень узагальнено відповідними математичними залежностями, необхідними для розрахунку й оптимізації абсорбційно-десорбційних процесів очистки етилен-пропіленових фракцій.
3. Розроблено технологічні основи процесів та апаратів очистки етилен-пропіленових фракцій методом фізичної абсорбції трибутилфосфатом.
Зроблено оцінку трибутилфосфату як абсорбенту для очистки етилен-пропіленових фракцій. Показано, що трибутилфосфат має значно вищу абсорбційну ємність і селективність у порівнянні з усіма широковикористовуваними абсорбентами по відношенню до шкідливих домішок етилен-пропіленових фракцій і застосування його як абсорбенту доцільне до температури не нижче 250 К.
Розроблено алгоритм розрахунку матеріальних потоків перспективних схем очистки етилен-пропіленових фракцій.
Визначено економічновиправдані температуру і тиск в абсорбційно-десорбційній апаратурі, необхідні для їх розрахунку й експлуатації. Показано, що в умовах розроблених схем очистки етилен-пропіленових фракцій при абсолютному тиску в абсорбері 4.0 МПа доцільно підтримувати температуру в абсорбері в межах від 253 до 263 К.
4. Показано, що в основу розробки компактної колонної тарілчастої апаратури очистки етилен-пропіленових фракцій у розглядуваному випадку доцільно покласти тарілки з двома зонами контакту фаз, обладнані переливними пристроями з сітчастими сепараторами.
5. Досліджено і теоретично узагальнено основні гідродинамічні закономірності роботи тарілки з двома зонами контакту фаз, обладнаної переливними пристроями з сітчастими сепараторами і конічними розподільниками рідини.
Уперше математично розвязано задачу системи диференційних рівнянь перетоку рідини через переливний пристрій з сітчастим сепаратором. Точність одержаних рівнянь перевірено експериментально.
Експериментально одержано математичні залежності для визначення основних гідродинамічних параметрів указаних тарілок з урахуванням впливу характеристики сіток сітчастих сепараторів та фізико-хімічних властивостей рідинної фази.
Показано, що висока ефективність роботи сітчастих сепараторів в умовах застосування рідин, що не піняться, забезпечується при використанні сіток з еквівалентним діаметром чарунок у межах від 0.0002 до 0.0015 м.
Показано, що запропонована тарілка по границі стійкої роботи та щільності зрошення має показники на 40-50% вищі у порівнянні з такими для тарілок, обладнаних переливними пристроями з глухими переливними поріжками. При цьому переливні пристрої з сітчастими сепараторами займають 5-7% площі барботажної зони тарілки.
6. Досліджено в стандартних умовах масовіддачу в газовій і рідинній фазах тарілки з двома зонами контакту фаз, обладнаної переливними пристроями з сітчастими сепараторами.
Доказано, що ця тарілка має високу ефективність у широкому діапазоні змін навантажень по газу і рідині і не поступається аналогічним тарілкам з глухими переливними поріжками і тарілкам з закритими переливними пристроями. Одержано розрахункові математичні залежності для визначення коефіцієнтів масовіддачі з урахуванням впливу на них гідродинамічних факторів та фізико-хімічних властивостей рідинної фази.
7. Досліджено макрокінетику фізичної абсорбції ацетилену трибутилфосфатом на ситчастій тарілці при мінусових температурах.
Показано, що одержані в стандартних умовах математичні залежності для розрахунку коефіцієнтів масовіддачі на тарілках з двома зонами контакту фаз, обладнаних переливними пристроями з сітчастими сепараторами можуть бути застосовані для розрахунку процесу очистки етилен-пропіленових фракцій методом абсорбції трибутилфосфатом.
Розроблено оригінальну конструкцію прозорої модельної абсорбційно-десорбційної колонної апаратури з вакуумною кільцевою теплоізоляційною порожниною та експериментальну установку на основі цієї апаратури.
8. Розроблено методику розрахунку колонного абсорбера з тарілками з двома зонами контакту фаз, обладнаних переливними пристроями з сітчастими сепараторами, для очистки етилен-пропіленових фракцій методом фізичної абсорбції трибутилфосфатом. Точність розробленої методики розрахунку підтверджено дослідженнями на дослідно-промисловій установці.
9. Розроблено й упроваджено у виробництво конструкції промислових абсорбційно-десорбційних колонних апаратів з тарілками з двома зонами контакту фаз, обладнаних переливними пристроями з сітчастими сепараторами, і дослідно-промислову установку очистки етилен-пропіленових фракцій методом фізичної абсорбції трибутилфосфатом при мінусових температурах.
Показано випробуваннями в промислових умовах, що упроваджена технологія і обладнання очистки етилен-пропіленових фракцій володіють високою ефективністю. Збільшився випуск продукції на 6%, знизилась ії собівартість майже на 20%.При базовій потужності цеху по етилбензолу 15 000 т/р річний економічний ефект склав 260 тис.руб за цінами 1982 року.
10. Виконано аналіз реакційно-масообмінного процесу в умовах трифазного газорідинного алкіування бензолу олефінами в присутності хлориду алюмінію.
Експериментально показано, що пропілен та ізопропілбензоли активують процес алкілування бензолу етиленом та процес переалкілування етилбензолів на бензол і не призводять до відчутного підвищення виходу кубових залишків. Це створює обгрунтовані умови для здійснення суміщеного алкілування бензолу етилен-пропіленовими фракціями в одному реакторі.
Обгрунтовано вибрано конструкцію прямоточного секціонованого по висоті клапанними тарілками колонного реактора для здійснення суміщеного алкілування бензолу етилен-пропіленовою фракцією і в основу розробки методики розрахунку указаного реактора покладено час перебування рідинної фази в зоні реакції, необхідний для здійснення процесу переалкілування поліалкілбензолів на бензол.
11. Досліджено на стандартних середовищах гідродинаміку прямоточного газорідинного колонного реактора, секціонованного по висоті клапанними тарілками.
Одержано математичні залежності для визначення часу перебування рідинної фази в секціях реактора та визначення гідравлічного опору секцій.
12. Розроблено методику розрахунку прямоточного колонного реактора, секціонованого клапанними тарілками, для трифазного газорідинного алкілування бензолу етилен-пропіленовою фракцією в присутності хлориду алюмінію. Виконано перевірку точності розробленої методики розрахунку реактора на модельній установці з використанням реальних середовищ і одержано позитивні результати.
13. Показано експериментальними дослідженнями на модельній установці, що процес суміщеного алкілування бензолу етилен-пропіленовою фракцією в прямоточному колонному реакторі, секціонованому клапанними тарілками, може бути здійснений при витратних коефіцієнтах по сировині, досягнутих у виробництві етилбензолу і кумолу на базі концентрованих етилену і пропілену.
14. Розроблено конструкцію промислового колонного реактора трифазного газорідинного алкілування бензолу етилен-пропіленовими фракціями, секціонованого по висоті клапанними тарілками, та промислову установку алкілування бензолу на базі цього реактора.
15. Створено науково-технічні основи технології й апаратурного оформлення нової ресурсо- й енергозберігаючої ХТС сумісного виробництва етилбензолу і кумолу на базі попутних етилен-пропіленових фракцій з забезпеченням системі необхідної гнучкості й екологічності.
Показано, що за всіма показниками розроблена ХТС відповідає сучасним вимогам. Основні позиції ХТС захищені авторськими свідоцтвами і патентами.
Показано, що в умовах комплексної переробки зворотного коксового газу в аміак, етилбензол і кумол прибуток на етилбензолі складає біля 156 дол. США/т, на кумолі - 49 дол. США/ т. Термін окупності по етилбензолу і кумолу складає величину менше одного року. Як результат, собівартість аміаку, виробленого на базі зворотного коксового газу, може бути забезпечена на рівні близько 168 дол. США/т.
16. Створено широкі перспективи для комплексної ресурсо- й енергозберігаючої переробки попутних олефін-вміщуючих вуглеводневих газів в товарні продукти. До цих газів відносяться, перш за все, зворотний коксовий газ і крекінгові гази нафтопереробних та нафтохімічних виробництв.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
Праці, опубліковані автором одноосібно
1. Юшко В.Л. Три-н-бутиловый эфир ортофосфорной кислоты - абсорбент для очистки этиленовой фракции// Экотехнологии и ресурсосбережение.-1996.-№1.-с. 49-51.
2. Юшко В.Л. О каталитической активности тройных комплексов хлористого алюминия, промотированных сероводородом// Экотехнологии и ресурсосбережение.-1996.-№3.-с. 44-48.
3. Юшко В.Л. Виробництво етилбензолу та ізопропілбензолу методом алкілування бензолу етилен-пропіленовою фракцією в одному реакторі// Экотехнологии и ресурсосбережение.-1996.-№4.-с. 16-21.
4. Юшко В.Л. Технологічний розрахунок абсорбера для очистки попутної етилен-пропіленової фракції трибутилфосфатом// Экотехнологии и ресурсосбережение.-1997.-№4.-с. 38-42.
5. Юшко В.Л. Установка очистки етиленової фракції коксового газу методом фізичної абсорбції трибутилфосфатом// Экотехнологии и ресурсо-сбережение.-1997.-№2.-с. 33-35.
Праці, опубліковані автором у співавторстві
6. Емец Т.В., Пинскер А.Е., Юшко В.Л., Сергиенко И.Д., Иванова А.С. Изучение абсорбционной способности трибутилфосфата// Химия и технология продуктов органического синтеза: Производство этилбензола. Труды ГИАП.-М.: ОНТИ ГИАП, 1972.- Вып. ХШ.-с. 46-53.
7. Косяков Н.Е., Юшко В.Л., Сергиенко И.Д., Хохлов С.Ф., Тараба Р.Ф. Растворимость двуокиси углерода, этилена и ацетилена в трибутилфосфате// Химическая промышленность.-1972.-№6.-с 432-433.
8. Сергиенко И.Д., Косяков Н.Е., Юшко В.Л., Хохлов С.Ф., Пушкин А.Г. Растворимость сероводорода и сероокиси углерода в трибутилфосфате// Вопросы химии и химической технологии.-1973.-Вып. 29.-с. 57-60.
9. Юшко В.Л., Сергиенко И.Д., Косяков Н.Е., Хохлов С.Ф., Пушкин А.Г. О влиянии воды на растворимость двуокиси углерода в растворах моноэтаноламина в сульфолане// Вопросы химии и химической технологии.-1973.-Вып. 30.-с. 3-5.
10. Юшко В.Л., Сергиенко И.Д., Хохлов С.Ф., Пушкин А.Г., Гуменчук А.Л. Разработка и внедрение процесса очистки этиленовой фракции коксового газа: Реферативная информация о законченных научно-исследовательских работах в вузах УССР// Химическая промышленность.- Киев: Вища школа.-1974.-Вып. 15.-с. 96-97.
11. Сергиенко И.Д., Хохлов С.Ф., Юшко В.Л., Пушкин А.Г., Мулик В.П. Зависимость плотности, поверхностного натяжения и вязкости три-н-бутилового эфира ортофосфорной кислоты от температуры// Вопросы химии и химической технологии.-1975.-Вып. 37.-с. 128-129.
12. Сергиенко И.Д., Юшко В.Л., Пинскер А.Е., Пушкин А.Г., Мулик В.П. Оценка трибутилфосфата как абсорбента для очистки этиленовой фракции коксового газа// Вопросы химии и химической технологии.-1977.-Вып. 48.-с. 109-114.
13. Сергиенко И.Д., Юшко В.Л., Пинскер А.Е., Пушкин А.Г., Мулик В.П. Расчет основных параметров схем очистки этиленовой фракции коксового газа методом абсорбции трибутилфосфатом// Вопросы химии и химической технологии.-1977.-Вып. 49.-с. 121-127.
14. Сергиенко И.Д., Юшко В.Л., Пинскер А.Е., Пушкин А.Г., Мулик В.П. Выбор и разработка технологической схемы очистки этиленовой фракции коксового газа методом абсорбции трибутилфосфатом// Вопросы химии и химической технологии.-1977.-Вып. 49.-с. 117-120.
15. Сергиенко И.Д., Юшко В.Л., Пинскер А.Е., Пушкин А.Г., Мулик В.П. Определение высоты газо-жидкостного слоя на барботажных тарелках// Химическое и нефтяное машиностроение.-1980.-№3.-с. 30-31.
16. Сергиенко И.Д., Юшко В.Л., Пушкин А.Г., Мулик В.П. Влияние характеристики сетки сетчатого дегазатора на верхний предел устойчивой работы и величину запаса жидкости барботажной тарелки// Химическое и нефтяное машиностроение.-1981.-№6.-с. 15-16.
17. Сергиенко И.Д., Юшко В.Л., Пушкин А.Г. К вопросу об определении пропускной способности по жидкости сетчастых переливов в условиях работы барботажной тарелки// Вопросы химии и химической технологии.-1982.-Вып. 68.-с. 94-98.
18. Сергиенко И.Д., Юшко В.Л., Черниченко В.А., Рогозный В.В., Пушкин А.Г. Экспериментальное исследование работы кольцевой тарелки с просечными пластинчатыми элементами. Сообщение 1: Исследование гидродинамики// Вопросы химии и химической технологии.-1983.-Вып. 71.- с. 66-68.
19. Сергиенко И.Д., Косяков Н.Е., Юшко В.Л. Определение диаграмм состояния двойных систем фреона-13 с этиленом, пропиленом и фреоном-22// Вопросы химии и химической технологии.-1983.-Вып. 70.-с. 51-54.
20. Сергиенко И.Д., Юшко В.Л., Черниченко В.А., Рогозный В.В., Пушкин А.Г. Экспериментальное исследование работы кольцевой тарелки с просечными пластинчатыми элементами. Сообщение 2: Исследование массопередачи// Вопросы химии и химической технологии. - Харьков: Вища школа. 1984.-Вып. 76.-с. 101-103.
21. Юшко В.Л., Сергієнко І.Д., Пушкін О.Г., Мулик В.П., Єрмаков П.П. Дослідження масовіддачі на тарілці з двома зонами контакту фаз. Повідомлення І// Хімічна промисловість України.-1996.-№3.-с. 25-30.
22. Юшко В.Л., Сергієнко І.Д., Пушкін О.Г., Мулик В.П., Єрмаков П.П. Дослідження масовіддачі на тарілці з двома зонами контакту фаз. Повідомлення ІІ// Хімічна промисловість України.-1996.-№3.-с. 30-33.
23. Юшко В.Л., Сергієнко І.Д., Пушкін О.Г., Мулик В.П. Дослідження кінетики фізичної абсорбції ацетилену трибутифосфатом на ситчастій тарілці при мінусових температурах//Хімічна промисловість України.-1996.-№5.-с.10-12.
24. Юшко В.Л., Сергієнко І.Д., Пушкін О.Г., Мулик В.П. Визначення гідравлічного опору плівкової зони тарілки з двома зонами контакту фаз// Хімічна промисловість України.-1996.-№5.-с. 20-22.
25. Юшко В.Л., Івець О.П., Черніченко В.А. До питання про локальний масообмін в умовах трифазного газорідинного алкілування бензолу олефінами в присутності хлориду алюмінію// Хімічна промисловість України.-1997.-№6.-с. 26-30.
26. Юшко В.Л., Івець О.П., Черніченко В.А. Обгрунтування вибору конструкції реакторів для трифазного газорідинного алкілування бензолу попутними етилен-пропіленовими фракціями в присутності хлориду алюмінію// Хімічна промисловість України.-1997.-№6.-с. 33-37.
27. Юшко В.Л., Івець О.П., Черніченко В.А. Дослідження гідродинаміки колонного реактора з висхідною прямотечією газорідинного потоку, секціонованого по висоті клапанними тарілками// Хімічна промисловість України.-1998.-№1.-с. 61-64.
28. Юшко В.Л., Івець О.П., Черніченко В.А. Розрахунок і оцінка прямотечійного секціонованого по висоті колонного реактора для трифазного газорідинного алкілування бензолу етиленом або етиленовою фракцією// Экотехнологии и ресурсосбережение.-1998.-№5.-с.44-47.
29. Барабаш І.І., Юшко В.Л., Островерх С.К., Колесніков В.П. Ресурсозбереження водневої і вуглеводневої сировини в умовах комплексної переробки попутних газів в аміак, етилбензол та кумол// Хімічна промисловість України.-1999.-№2.
Авторські свідоцтва та патенти
30. А.с. 321041 СССР МПК В 01d 53/14. Способ очистки углеводородных газов/ Юшко В.Л., Сергиенко И.Д., Пинскер А.Е., Нагорный В.Г., Емец Т.В. (СССР).-1401084/23-4; Заявл. 05.02.1970, Опубл. 1972. Бюл. №27.
31. А.с. 502646 СССР М.Кл.2 В OID 53/14. Способ очистки этиленовой фракции/ Юшко В.Л., Пушкин А.Г., Хохлов С.Ф., Сергиенко И.Д. (СССР).-№1923222/23-4; Заявл. 16.05.1973, Опубл. 15.02.1976. Бюл. №6.
32. А.с. 734175 СССР М.Кл2 С 07С 7/00 B 01 D 53/13. Способ очистки коксового газа/ Юшко В.Л., Сергиенко И.Д., Пушкин А.Г., Мулик В.П. (СССР).-№2434636/23-4; Заявл. 27.12.1976, Опубл. 15.05.1980. Бюл. №18.
33. А.с. 1535621 СССР, В 01 J 19/18 Реактор/ Ивец А.П., Юшко В.Л., Шкурупий Г.И., Черных А.П., Алексеев А.А., Косяков Н.Е., Сергиенко И.Д. (СССР).-4416054/31-26; Заявл. 25.04.88; Опубл. 15.01.90. Бюл. №2.
34. А.с. 1834063 СССР, В 01 J 19/18 Реактор/ Юшко В.Л., Задорский В.М., Ивец А.П., Клименко Ю.В. (СССР).-4788012/26; Заявл. 28.11.89.
35. А.с. 1612397 СССР, В 01 J 19/00 Реактор/ Юшко В.Л., Ивец А.П., Иванов В.А., Сидорова А.П. (СССР).-4680128/31-26; Заявл. 18.04.89.
36. А.с. 1623751 СССР, В 01 J 19/00 Реактор/ Ивец А.П., Юшко В.Л., Сергеев С.А., Черных А.П., Селиверстов К.Б., Казак В.Г., Иванов В.А. (СССР).-4647453/26; Заявл. 07.02.89; Опубл. 30.01.91. Бюл. №4.
37. А.с. 1813559 СССР, В 01 J 10/00 Реактор/ Ивец А.П., Юшко В.Л., Русалин С.М., Шебутович М.И., Грищенко А.С. (СССР).-4912136/26; Заявл. 18.02.91; Опубл. 07.05.93. Бюл. №17.
38. Патент на винахід 12595А України, МПК5 В 01D 53/14 Абсорбер/ Юшко В.Л., Сергієнко І.Д., Івець О.П. (Україна).-94076305; Заявл. 19.07.1994; Опубл. 28.02.1997. Бюл. №1.
39. Патент на винахід 22810А України, МПК5 В01D 53/18 Колона/ Юшко В.Л., Сергієнко І.Д., Пушкін О.Г. (Україна).-95031205; Заявл. 17.03.95; Опубл. 21.04.98.
40 і 41. Патент на винахід 10707 А України, МПК5 С 07С 15/73. Спосіб одержання етилбензолу та установка для його здійснення/ Юшко В.Л., Сергієнко І.Д., Івець О.П. (Україна).-94076306; Заявл. 19.07.1994, Опубл. 25.12.1996. Бюл. №4.
АНОТАЦІЯ
Юшко В.Л. Апаратурно-технологічна розробка сумісного виробництва етилбензолу і кумолу на базі етилен-пропіленових фракцій.
Дисертація на здобуття вченого ступеня доктора технічних наук за спеціальністю: 05.05.13 - Машини та апарати хімічних виробництв; Український державний хіміко-технологічний університет, Дніпропетровськ, 1999 р.
Захищається 48 наукових робіт, у тім числі 29 статтей, 7 тез доповідей, 8 авторських свідоцтв і 4 патенти, які вміщують теоретичні й експериментальні дослідження процесів та апаратів в області сумісного виробництва етилбензолу і кумолу на базі етилен-пропіленових фракцій.
Установлено, що застосування ефективної ресурсо- й енергозберігаючої технології та апаратури у виробництві етилбензолу і кумолу методом суміщеного алкілування бензолу етилен-пропіленовими фракціями в присутності хлориду алюмінію дозволяє підняти техніко-економічні показники цього виробництва на рівень сучасних досягнень.
Розроблено нову абсорбційно-десорбційну апаратуру очистки етилен-пропіленових фракцій методом фізичної абсорбції трибутилфосфатом. Розроблено нову реакційну апаратуру суміщеного алкілування бензолу очищеними етилен-пропіленовими фракціями в присутності хлориду алюмінію. Створено науково обгрунтовані методи їх розрахунку, конструювання і проектування.
Здійснено розробку, випробування та промислове упровадження запропонованих апаратів і технологічних установок.
Ключові слова: абсорбер, реактор, тарілка, сітчастий сепаратор, гідродинаміка, масообмін, етилен-пропіленова фракція, очистка, трибутилфосфат,суміщене алкілування, етилбензол, кумол, хлорид алюмінію.
АННОТАЦИЯ
Юшко В.Л. Аппаратурно-технологическая разработка совместного производства этилбензола и кумола на базе этилен-пропиленовых фракций.
Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности: 05.05.13 - Машины и аппараты химических производств; Украинский государственный химико-технологический университет, Днепропетровск, 1999 г.
Защищается 48 научных работ, в том числе 29 статей, 7 тезисов докладов, 8 авторских свидетельств и 4 патента, которые содержат теоретические и экспериментальные исследования процессов и аппаратов в области совместного производства этилбензола и кумола на базе этилен-пропиленовых фракций.
Установлено, что применение эффективной ресурсо- и энергосберегающей технологии и аппаратуры в производстве этилбензола и кумола методом совмещенного газожидкостного алкилирования бензола этилен-пропиленовыми фракциями в присутствии хлорида алюминия позволяет поднять технико-экономические показатели этого производства с обеспечением конкурентной способности продуктов на внешнем рынке.
Разработаны физико-химические и технологические основы очистки этилен-пропиленовых фракций методом физической абсорбции трибутилфосфатом при минусовых температурах.
Исследована и разработана высокоэффективная противоточная колонная аппаратура с тарелками с двумя зонами контакта фаз, оборудованными переливными устройствами с сетчатыми сепараторами. Раскрыт механизм влияния сетчатых сепараторов на гидродинамику и массопередачу тарелок. Показано, что использование сетчатых сепараторов обусловливает широкий диапазон устойчивой работы тарелок, создает условия саморегулирования гидродинамического режима на тарелках и положительно влияет на эффективность массообмена. Такая массообменная аппаратура обеспечивает необходимую гибкость технологическим установкам очистки попутных етилен-пропиленовых фракций, отличается простотой конструкции и высокой компактностью. Все это создает предпосылки для широкого использования разработанной массобменной аппаратуры с целью оформления процессов абсорбции и ректификации, особенно процессов, протекающих при минусовых температурах.
Разработаны и исследованы колонные реакторы с восходящим прямотоком, секционированные клапанными тарелками. Показано, что такие реакторы в условиях реализации процесса совмещенного газожидкостного алкилирования бензола этилен-пропиленовыми фракциями обеспечивают высокую интенсивность процесса при широком диапазоне устойчивой работы и создают условия направленного протекания процесса алкилирования преимущественно в нижней зоне реактора и реакций переалкилирования - в средней и верхней зонах реактора. Отмеченные условия протекания процесса в данных реакторах обеспечивают резкое снижение расходных коэффициентов по сырью за счет снижения выхода "кубовых" остатков и снижения расхода хлорида алюминия.
Созданы научно обоснованные методы расчета, конструирования и проектирования разработанной аппаратуры.
Осуществлена разработка, испытание и промышленное внедрение предложенных аппаратов и технологических установок.
Созданы научно-технические основы технологии и аппаратурного оформления новой ресурсо- и энергосберегающей химико-технологической системы совместного производства этилбензола и кумола на базе попутных этилен-пропиленовых фракций с обеспечением системе необходимой гибкости и экологичности.
Ключевые слова: абсорбер, реактор, тарелка, сетчатый сепаратор, гидродинамика, массообмен, этилен-пропиленовая фракция, очистка, трибутилфосфат, алкилирование, этилбензол, кумол, хлорид алюминия.
ABSTRACT
Yushko V.L. Apparatus-technology Elaboration of the Joint Manufacture Techique of Ethil Benzene and Cumene on the Base of Ethylene-Propylene Fractions.
Thesis for a doctor,s degree of technical sciences on specialities: 05.05.13 - Machines and Apparatus of Chemical Productions. The Ukranian State University of Chemistry and Technology, Dniepropetrovsk, 1999.
48 scientific works are being defended including 29 articles, 7 theses, 8 author,s certificates and 4 patents containing theoretical and experimental investigations on process and apparatus in the field of the joint production of ethylbenzene and cumene on the base of ethylene-propylene fractions.
It had been ascertained that the application of the effective resources and energy saving technology and apparatus in the production of the ethylbenzene and cumene by the joint benzol alkylation method with ethylene-propylene fractions in the presence of aluminium chloride allows to increase technical and economical indices of this manufacture on the level of contemporary achievements in this sphere.
It had been worked out absorption-desorption apparatus of the ethylene-propylene fractions purification by physical absorption method of thributylphosphate. It had been developed reactive apparatus of the joint benzene alkylation purificated ethylene-propylene fractions in the presence of aluminium chloride. It had been found methods of their scientifically based calculation, designing and progecting.
It had been realized test and industrial introduction of suggested apparatus and technological installations. It has been adduced data about their effectiveness in the process of exploitation.
Key words: joint alkylization, purification, absorption, absorber, reactor, dish, meashy separator, hydrodynamics, mass transfer, ethylene-propylene fraction, ethylbenzol, cumene, aluminium chloride, thributylphosphate.