Способ фракционирования многокомпонентных смесей и устройство для его осуществления

Изобретение относится к способам и устройствам для разделения многокомпонентных смесей и может быть использовано в химико-фармацевтической, нефтегазоперерабатывающей и пищевой промышленности, а также для очистки промышленных сточных вод. Сущность изобретения заключается в том, что предложены способ и устройство для фракционирования многокомпонентных смесей, основанные на непрерывном противотоке жидких и газообразных компонентов, исключающий смешивание фаз при непрерывном выведении газообразных и жидких компонентов из колонны. Колонна расположена под углом наклона в 5-10° и заполнена на 1/2-2/3 объема стеклянными шариками с диаметром 1-6 мм. Технический результат заключается в непрерывности фракционирования, одновременной регенерации всех компонентов смеси, низкой энергоемкости, металлоемкости, снижении себестоимости конечного продукта, возможности использовании технологии в различных отраслях народного хозяйства. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к способам и устройствам для разделения многокомпонентных смесей и может быть использовано в химико-фармацевтической, нефте-газоперерабатывающей и пищевой промышленности, а также для очистки промышленных сточных вод. В настоящее время для фракционирования многокомпонентных смесей известного состава в промышленном масштабе используют различные ректификационные колонны.

Известные способы разделения многокомпонентных смесей основаны на различии в физико-химических свойствах компонентов смеси, например, температуре кипения [1, 2], или на различиях в химических свойствах [3]. Однако известные способы обладают рядом недостатков, а именно:

1. Необходимость перевода в парообразное состояние всей массы раствора и, как следствие, высокая энергоемкость.

2. Трудно фракционируются компоненты с близкими температурами кипения или химическими свойствами.

3. Последовательность выделения компонентов из смеси в порядке изменения химических или физико-химических свойств.

4. Необходимость утилизации или регенерации сорбента и элюэнта.

5. Медленная скорость фракционирования.

Наиболее близким по приемам являются способы разделения смесей на компонетны, включающие использование хроматографических колонок. Однако эти способы имеют следующие недостатки:

1. Сорбент используется только для дополнительной очистки паров смеси перед их подачей на ректификацию [патент RU 2057797, 1996].

2. Разделение смеси на компоненты в хроматографической колонке происходит в псевдоожиженном слое, что требует наличие рециркуляционного насоса, регулирующего давление в каждой секции колонны [патент RU 2143941, 1995].

Задачей настоящего изобретения является разработка способа фракционирования многокомпонентных смесей, исключающего недостатки известных способов, позволяющего одновременное выделение всех компонентов смеси. Поставленная задача решается тем, что предложен способ фракционирования многокомпонентных смесей, основанный на непрерывном противотоке жидких и газообразных компонентов, исключающий смешивание фаз при непрерывном выведении газообразных и жидких компонентов из колонны. Для осуществления заявленного способа предложено устройство. В настоящее время известны способы фракционирования многокомпонентных смесей, содержащие вертикальные ректификационные или хроматографические колонны, имеющие помимо описанных выше еще ряд недостатков:

1. Трудность масштабирования.

2. Длительная регенерация всех компонентов смеси имеет высокую себестоимость, которая снижается только при тоннажных объемах производства.

3. Высокая металлоемкость оборудования.

4. Трудность эксплуатации в тоннажных производствах.

Технический результат, получаемый при использовании изобретения заключается в:

1. Непрерывности фракционирования.

2. Одновременной регенерации всех компонентов смеси.

3. Низкой энергоемкости, металлоемкости и потребности в производственных площадях.

4. Легкости масштабирования - от установок для научно-исследовательских работ до тоннажного объема производства.

5. Снижение себестоимости регенерации сорбента и отсутствие элюэнта.

6. Горизонтальное расположение колонн.

7. Возможность использования технологии в различных производствах.

8. Надежность в эксплуатации при среднем уровне квалификации обслуживающего персонала.

9. Низкая себестоимость самой установки и ее комплектующих. Для осуществления заявленного способа предложено устройство для фракционирования многокомпонентных смесей (см.чертеж), содержащее емкость (1) с приспособлением для поддержания в ней постоянного уровня раствора и обеспечивающее непрерывную подачу раствора в колонну для фракционирования (2-6). Последняя состоит из ряда секций, расположенных под углом наклона в 5÷10° в форме "гармошки", число которых равно либо количеству выделяемых из смеси компонентов, либо группе компонентов. Внутри каждой секции в ее нижней части расположены теплоэлектронагреватели (ТЭНы), подогревающие раствор в этой секции до температуры кипения определенного компонента смеси с повышением температуры нагрева каждой последующей секции в направлении сверху вниз. Каждая секция, содержащая теплоизоляционный слой, представляет собой полую трубу, заполненную на ¹/₂÷²/₃ своего объема стеклянными шариками с ⊘=1,0÷6,0 мм, расположенными вокруг ТЭНов, поверхность которых химически модифицирована алкил(арил)силанами или силанами, содержащими комплексоны, в результате чего происходит хроматография смеси с одновременным испарением компонентов в непрерывном режиме. Парообразные продукты движутся вверх за счет угла наклона по верхнему, свободному от стеклянных шариков объему, выводятся через верхнее отверстие колонны и конденсируются в холодильнике. Раствор стекает вниз в объеме, заполненном стеклянными шариками за счет этого же угла наклона, и выводится из колонны через нижнее отверстие. В результате в колонне осуществляют противоток газообразных и жидких продуктов без их перемешивания.

Заявленное устройство работает следующим образом. Открывают вентиль для подачи бражки из цистерны (не указана) в бак №1. После заполнения бака открывают вентиль его нижнего слива для подачи бражки в подогревающую колонну с определенной скоростью потока. На пульте управления включают нагрев всех колонн в заданном режиме и открывают краны для подачи воды в холодильнике. После выхода температуры колонн на режим начинают собирать продукты фракционирования в соответствующие емкости: этанольная фракция - в емкость №14, легкая фракция - в емкость №13, сивушные масла - в емкость №11. Дальше установка работает в автоматическом режиме.

Таким образом, совокупность существенных признаков обеспечивает получение нового технического результата, который заключается в непрерывном фракционировании многокомпонентных смесей с одновременным выделением всех ее компонентов на горизонтальных колонных, заполненных сорбентом с химически модифицированной поверхностью, обеспечивающим длительное время работы установки без регенерации сорбента; в снижении ее энерго- и металлоемкости, себестоимости продукции и производственных площадей, в возможности использовать технологию в различных производствах и в различных масштабах, т.е. существенные признаки находятся в причинно-следственной связи с указанным техническим результатом.

ПРИМЕР 1.

Использование заявленного изобретения в производстве этилового спирта квалификации "Пищевой".

Бражка из бака (1) непрерывно самотеком поступает в подогревающую колонну (2), полностью заполненную стеклянными шариками с ⊘=2±0,2 мм, где она подогревается ТЭНом до t=70±2°С. Из подогревающей колонны бражка непрерывно самотеком поступает в первую секцию (3) колонны для фракционирования, которая на ¹/₂÷²/₃ своего объема заполнена стеклянными шариками с ⊘=2±0,2 мм. Раствор в этой колонне подогревается ТЭНом до t=75±1°С. При этой температуре из бражки непрерывно отгоняются компоненты с температурой кипения ниже 75°С с их последующей конденсацией в холодильнике (4). Затем бражка непрерывно самотеком поступает в брагоперегонную колонну, состоящую из трех секций (5÷7), заполненных на ¹/₂÷²/₃ объема стеклянными шариками с ⊘=4±0,2 мм. Раствор во всех секциях подогревается ТЭНом до t=80±2°С. Пары этилового спирта выводятся из каждой секции через верхние отверстия и направляются либо в холодильник (8) для получения спирта-сырца, либо в укрепляющую колонну (9), а раствор сивушных масел непрерывно стекает либо в холодильник (10) и затем в сборник (11) либо, минуя холодильник, в горячем виде направляется на аналогичную установку для первоначального удаления воды с последующим фракционированием сивушных масел на компоненты. Укрепляющая колонна заполнена на ¹/₂÷²/₃ объема стеклянными шариками с ⊘=2±0,2 мм. Пары этилового спирта из укрепляющей колонны через верхнее отверстие непрерывно поступают в холодильник (12), затем в сборник (13), а раствор возвращается в секцию (7) для отгонки этанола.

Заявленное устройство может работать в комплексе с устройством для непрерывного генерирования бражки из сахарного затора с использованием химически иммобилизованных дрожжей на стеклянных шариках или чистой целлюлозе.

ПРИМЕР 2.

Использование заявленного изобретения в фармацевтическом производстве.

При производстве фармацевтических препаратов "Мебикар" и "Альбикар" получение фармакопейной субстанции из технического продукта осуществляется путем его перекристаллизации из этилового спирта. Спиртовой раствор после выделения из него фармакопейного продукта направляется на регенерацию спирта в колонну, состоящую из двух секций. Первая секция (подогревающая) полностью заполнена стеклянными шариками с ⊘=2±0,2 мм, где раствор подогревается ТЭНом до t=75±1°С, а вторая секция (спирто-перегонная) заполнена стеклянными шариками на ¹/₂÷²/₃ объема и подогревается ТЭНом до t=80±2°С. Пары этилового спирта через верхнее отверстие удаляются из колонны, конденсируются в холодильнике и возвращаются в технологический цикл на стадию перекристаллизации, а кубовый остаток на стадию вымораживания фармакопейного продукта.

В данном фармацевтическом производстве для выделения технического продукта из реакционной смеси используется хлороформ, которым экстрагируют препараты. Выделение технического продукта из раствора хлороформа осуществляется на аналогичной установке, только температуры нагрева колонны соответствуют температуре кипения хлороформа.

ПРИМЕР 3.

Использования заявленного изобретения в нефте- и газоперерабатывающей промышленности.

При производстве моторных топлив на нефтеперерабатывающих заводах образуются газообразные продукты, которые сжигаются в факелах. Для ликвидации стадии сжигания газообразных продуктов последние направляются на фракционирование на колонну, состоящую из числа секций, равного числу компонентов газовой смеси. Колонны заполнены этиловым спиртом и стеклянными шариками с ⊘=4-6 мм, поверхность которых химически модифицирована алкилсиланами, например, трет.бутилсиланом. Газовый поток углеводородов, проходя через все секции колонны, за счет различной растворимости в этиловом спирте и длины алкильного радикала углеводорода распределяется по секциям (хроматографируется) в порядке убывания числа углеродных атомов в алкильном радикале. Абсорбция газообразных углеводородов этиловым спиртом осуществляется при комнатной или пониженной до 5÷10°С температуре, достигаемой за счет внешнего охлаждения. После достижения стадии насыщения этанола углеводородом газовый поток направляется в параллельную колонну, а в первой колонне каждая секция подогревается ТЭНом, расположенным внутри колонны, до определенной температуры, при которой из раствора удаляется углеводород и не испаряется спирт. Затем колонна охлаждается и цикл фракционирования повторяется.

При данном способе вместо традиционного способа фракционирования жидкие углеводороды, образующиеся при крекинге нефти, фракционируются на колонне, состоящей из числа секций, соответствующих числу групп углеводородов с близкими (в пределах 5-10°С) температурами кипения. Секции заполнены на ¹/₂÷²/₃ объема стеклянными шариками с ⊘=4÷6 мм, поверхность которых химически модифицирована алкил(арил)силанами. Испаряемые в каждой секции углеводороды конденсируются в отдельных холодильниках и являются самостоятельным товарным продуктом либо смешиваются в определенных пропорциях для достижения нужного октанового числа моторных топлив.

ПРИМЕР 4.

Использование заявленного изобретения для очистки производственных сточных вод и отходов химических и химико-фармацевтических производств.

Очистка промышленных сточных вод осуществляется в колоннах, содержащих число секций, соответствующее числу примесей. Секции колонны подогреваются ТЭНами и заполнены на ¹/₂÷²/₃ объема стеклянными шариками с ⊘=4÷6 мм. Поверхность шариков в одних секциях химически модифицирована силанами, содержащими комплексоны для очистки воды от неорганических примесей. А в других секциях - силанами с функциональными группами для очистки воды от органических примесей. Химический состав силанов подбирается в каждом случае индивидуально под химический состав примесей. Примеси после их извлечения из сточных вод возвращаются в технологический цикл. Установка работает в непрерывном режиме с производительностью, соответствующей объему сточных вод конкретного предприятия.

ПРИМЕР 5.

Использование заявленного изобретения для очистки питьевой воды.

Вода из водоема после стадии флокуляции и коагуляции очищается предварительно в соответствии с примером №4. Для достижения требований ГОСТа [4] на питьевую воду она поступает на доочистку на заявленное устройство, состоящее из колонны, которая заполнена стеклянными шариками с ⊘=1÷2 мм, поверхность которых химически модифицирована силанами, содержащими комплексоны с катионной или анионной активностью. После очистки воды от неорганических примесей она дополнительно направляется на бактерицидную очистку.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.А.Кухаренко, А.Ю.Винаров. Безотходная биотехнология этилового спирта.- М.: Энергоатомиздат, 2001 г., с.69-107.

2. Дж.Тедлер, А Нехваталл, А.Джутб "Промышленная органическая химия".- М.: Мир, 1977 г., с.133-134.

3. Хроматография. Практическое приложение метода. Ред. Э. Хефтман, в 2-х частях, под ред. д.х.н. проф. В.Г.Березкина, М.: Мир, 1986 г.

4. Г.С.Фомин.: Вода. Контроль химической, бактериальной и радиационной безопасности по международным стандартам. Энциклопедический справочник, 3-е издание. ЗАО "ОСТ АКВА" и Черноголовка.

1. Способ фракционирования многокомпонентных смесей, основанный на непрерывном нагреве и противотоке жидких и газообразных компонентов, исключающий смешивание фаз при непрерывном выведении газообразных и жидких компонентов из колонны, расположенной под углом наклона в 5÷10° и заполненной на 1/2÷2/3 объема стеклянными шариками с ⊘=1÷6 мм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что стеклянные шарики химически модифицированы алкил(арил)силанами.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что стеклянные шарики химически модифицированы силанами, содержащими комплексоны с катионной и анионной активностью.

4. Устройство для фракционирования многокомпонентных смесей, содержащее емкость для исходной смеси, подогревающую колонну, колонну для фракционирования, состоящую из нескольких секций, расположенных под углом наклона в 5÷10° и заполненных на 1/2÷2/3 объема стеклянными шариками с ⊘=1÷6 мм, внешним теплоизоляционным слоем теплоэлектронагревательными элементами внутри секций, соединенных между собой в форме "гармошки", с отводами для удаления газообразных продуктов и холодильниками для их конденсации, расположенными над секциями, емкостями для сбора конечных продуктов, пульт управления.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что колонна для фракционирования имеет внешнее охлаждение.