Способ разделения смесей летучих веществ (варианты)

Способ разделения смесей летучих веществ (варианты)

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к способам разделения смесей летучих веществ в процессах химической технологии и может быть использовано для разделения смесей хлорсиланов, гидридов, фторидов, хлоридов, большого числа разнообразных органических продуктов (растворителей, мономеров и др.) с выделением целевого продукта.

Из физико-химических методов разделения наиболее широкое применение как в лабораторной практике, так и в крупномасштабном производстве нашли дистилляционные методы, включающие в себя различные варианты перегонки, ректификации и молекулярной дистилляции. Каждый из этих методов имеет свои специфические особенности, хотя все они основаны на различии составов жидкости и пара, сосуществующие в ходе процесса разделения в соответствующем разделительном аппарате.

Перегонка является одним из наиболее известных дистилляционных методов разделения многокомпонентной смеси веществ, выделения фракций, обогащенных или обедненных теми или иными компонентами исходной смеси.

Задачей фракционной перегонки является получение концентрата некоего определенного (целевого) компонента смеси.

Для разделения смесей наиболее широкое применение нашел метод ректификации, характеризующийся высокой эффективностью, производительностью и простотой аппаратурного оформления. Известен способ фракционного разделения многокомпонентных смесей с выделением целевой фракции с использованием каскада колонн, работающих в режиме непрерывной ректификации (см., например, А.Г.Касаткин. "Основные процессы и аппараты химической технологии", изд-во "Химия", 1971 г., стр.522).

Недостатком этого способа является то, что количество и состав целевой фракции существенно зависят от состава вводимой смеси. В случае повышенного содержания целевого продукта в смеси его излишек теряется с другими фракциями, что снижает суммарный выход целевого продукта. В случае же смеси, обедненной целевым продуктом, продукт загрязняется другими компонентами смеси, что приводит к ухудшению его качества. Этот эффект связан со строго установленными скоростями ввода смеси и отбора фракций в режиме непрерывной ректификации.

Известен способ разделения смесей, включающий фракционированную разгонку в ректификационной колонне периодического действия с нижним кубом и выделение концентрата целевого продукта (см., например, Г.Г.Девятых, Ю.Е.Еллиев. "Введение в теорию глубокой очистки веществ", М., изд-во "Наука", 1981 г., стр.65-66).

Для получения чистого целевого продукта последний очищают известными методами, в зависимости от требуемой чистоты, например ректификацией (см. там же, стр.135-137).

Вследствие межфазового массообмена в процессе ректификации нижекипящие компоненты разделяемой смеси концентрируются в верхней отборной точке колонны и в виде дистиллята (конденсата) могут оттуда отбираться в качестве целевого продукта. Для этой цели в конденсаторе осуществляется деление потока жидкости, образующейся из поступающего пара, на две части. Одна, меньшая часть, отбирается в сборник дистиллята, а другая, большая часть, возвращается в колонну в противоток в виде орошения - флегмы.

Упомянутый способ взят в качестве прототипа.

Авторы заявляемого изобретения воспроизвели способ, описанный в прототипе. В качестве разделяемой смеси была взята смесь хлорсиланов с выделением дихлорсилана - целевой фракции. При максимально возможной спепени извлечения дихлорсилана из упомянутой смеси производительность способа составляет 0,23 л/мин.

Недостатком прототипа является то, что по мере отбора целевого продукта кубовая смесь обедняется этим продуктом. Снижение концентрации целевого компонента в кубовой смеси значительно увеличивает время его концентрирования в отборной точке, что существенно снижает производительность колонны и, соответственно, способа в целом, а также понижает степень извлечения целевого продукта из исходной смеси.

Эта задача решается за счет того, что в известном способе разделения многокомпонентной смеси летучих веществ, включающем фракционированную разгонку в ректификационной колонне периодического действия с выделением концентрата целевого продукта, согласно изобретению фракционированную разгонку ведут в колонне со средним питающим резервуаром, работающей в режиме отбора фракций из верхней и нижней отборных точек, а выделение целевого продукта ведут путем параллельного отбора целевой и нецелевой фракции из отборных точек по достижении в них заданных составов, вплоть до возможно полного исчерпания целевого продукта из исходной смеси.

Время выделения целевой и нецелевой фракции заданных составов, отбор которых ведут из верхней и нижней отборных точек, зависит от требуемого состава целевого продукта, получаемого в процессе разделения смеси, от объема исходной смеси и содержания в ней целевого продукта. Количество фракций, отбираемых от исходной загрузки, время между отборами целевой и нецелевой фракции, а также конструктивное решение аппарата для каждой смеси подбираются индивидуально.

Полученный концентрат целевого продукта является продуктом технического качества. Потребитель может покупать продукт упомянутого качества и использовать его или очищать до той степени чистоты, которая необходима для его практического использования.

Для ряда областей практического применения, когда потребителю нужен чистый целевой продукт, поставленная задача решается за счет того, что в известном способе разделения многокомпонентной смеси летучих веществ, включающем фракционированную разгонку в ректификационной колонне периодического действия с выделением концентрата целевого продукта и очисткой последнего известными методами, в зависимости от требуемой чистоты, например ректификацией, согласно изобретению фракционированную разгонку ведут в колонне со средним питающим резервуаром, работающей в режиме отбора фракций из верхней и нижней отборных точек, а выделение целевого продукта ведут путем параллельного отбора целевой и нецелевой фракции из отборных точек по достижении в них заданных составов, вплоть до возможно полного исчерпания целевого продукта из исходной смеси.

В сравнении с известными методами ректификационного фракционирования способ обеспечивает повышение производительности более чем в два раза при максимально возможной степени извлечения целевого продукта.

Новым в способе является то, что фракционированную разгонку многокомпонентной смеси ведут в ректификационной колонне со средним питающим резервуаром, обеспечивающей возможность вести параллельный отбор целевой и нецелевой фракции при достижении в них заданных составов, при этом отбор фракций можно вести как дискретно, так и непрерывно. За счет параллельного отбора целевой и нецелевой фракции сокращается время накопления целевого продукта более чем в 2 раза в сравнении с известными методами ректификационного фракционирования.

Известны способы очистки веществ ректификацией в колонне со средним питающим резервуаром, позволяющей одновременной проводить очистку веществ от выше- и нижекипящих примесей (см., например, Г.Г.Девятых, А.Д.Зорин. "Летучие неорганические гидриды особой чистоты", М., "Наука", 1974 г., с.208).

Что касается фракционированной перегонки с разделением смеси летучих веществ на несколько фракций с различной температурой кипения в ректификационной колонне со средним питающим резервуаром, то упомянутое в литературе не описано. Проведение ректификации в колонне со средним питающим резервуаром согласно заявляемому способу позволяет вести параллельно отбор целевой и нецелевой фракций, что сокращает время проведения процесса выделения целевого продукта при сохранении высокой степени полноты его извлечения из исходной смеси. Следовательно, заявляемый способ отвечает критерию охраноспособности "изобретательский уровень".

Пример 1. Фракционирование многокомпонентной смеси с выделением целевой фракции проводили на ректификационной колонне со средним питающим резервуаром и двумя разделительными секциями. В качестве многокомпонентной смеси для фракционирования использовали смесь хлорсиланов, в которой концентрация дихлорсилана составляет 20 мольн.%, а также содержатся выше- и ниже кипящие компоненты: монохлорсилан (SiH₃Cl), трихлорсилан (SiHCl₃) и тетрахлорид кремния (SiCl₄). Целевым продуктом является концентрат дихлорсилана, в котором его содержание составляет 90 мольн.%.

Состав отбираемых фракций оценивали эбуллиоскопическим методом.

В куб колонны загружают исходную смесь хлорсиланов. После достижения стационарного состояния колонны проводят отбор из верхней отборной точки жидкой фракции, содержащей монохлорсилан. После отбора и повторного достижения стационарного состояния колонны проводят отборы нецелевой летучей фракции до тех пор, пока в верхней отборной точке не сформируется целевая фракция заданного состава. Целевую фракцию - дихлорсилан отбирают из верхней отборной точки в накопительную емкость. Кроме того, при достижении заданного состава нецелевой фракции в нижней отборной точке проводят отборы из нее.

Параллельные отборы дихлорсилана из верхней и нецелевой фракции из нижней отборной точки повторяют несколько раз до практически полного исчерпания целевого продукта в кубовой смеси.

Для получения чистого целевого продукта последний подвергают очистке известными методами в зависимости от чистоты, требуемой для его использования. Это могут быть методы ректификации, кристаллизации, мембранные или другие известные методы очистки, а также их комбинация.

Данные примера 1 сведены в таблицу 1.

Из таблицы видно, что производительность способа по целевому продукту - дихлорсилану - составляет 0,7 л/мин.

Таблица 1.Экспериментальные результаты по фракционированию смеси хлорсиланов на ректификационной колонне со средним питающим резервуаром с применением параллельных отборов целевой фракции - дихлорсилана - из верхней отборной точки и нецелевой фракции - трихлорсилана и тетрахлорида кремния - из нижней отборной точки.
Номер отбора	Отбираемая фракция V, л	Время до отбора t, мин
головная фракция	целевая фракция, ДХС	нецелевая фракция
7	2	3	4	5
1	1			240
2		1	1	40
3			1	18
4			1	18
5		1	1	18
6			1	18
7			1	18
8		1	1	18
9			1	17
10			1	17
11		1	1	17
12			1	15
13			1	15
14			1	15
15		1	1	15
16			1	13
17			1	13
18			1	13
19			1	13
20		1	1	13
21			1	11
22			1	11
23			1	11
24			1	11
25			1	11
26		1	1	13
	ΣV=1	ΣV=7	ΣV=25	Σt=632 мин = 10,5 ч.

Пример 2. (воспроизведение прототипа). Разделение смеси хлорсиланов проводили в ректификационной колонне периодического действия с нижним кубом. Проводили только отбор целевой фракции - дихлорсилана - из верхней отборной точки. Производительность способа по целевой фракции составляет 0,23 л/мин.

Данные примера 2 сведены в таблицу 2.

Таблица 2.Экспериментальные результаты по фракционированию смеси хлорсиланов на ректификационной колонне с нижним кубом с проведением отборов целевой фракции - дихлорсилана - из верхней отборной точки.
Номер отбора	Отбираемое вещество V, л	Время до отбора t, мин.
головная фракция	целевая фракция
1	1		240
2		1	45
3		1	53
4		1	65
5		1	85
6		1	120
7		1	210
8		1	850
	ΣV=1	ΣV=7	Σt=1669 мин = 27,8 ч.

Заявляемый способ обеспечивает повышение производительности более чем в 2 раза при максимально возможном извлечении целевого продукта при разделении смесей, например хлорметанов, тетрахлоридов гафния и циркония и др.

1. Способ разделения смесей летучих веществ, включающий фракционированную разгонку в ректификационной колонне периодического действия с выделением концентрата целевого продукта, отличающийся тем, что фракционированную разгонку ведут в колонне со средним питающим резервуаром, работающей в режиме отбора фракций из верхней и нижней отборных точек, а выделение целевого продукта ведут путем параллельного отбора целевой и нецелевой фракции из отборных точек по достижении в них заданных составов вплоть до возможно полного извлечения целевого продукта из исходной смеси.

2. Способ разделения смесей летучих веществ, включающий фракционированную разгонку в ректификационной колонне периодического действия с выделением концентрата целевого продукта и очисткой последнего известными методами, в зависимости от требуемой чистоты, отличающийся тем, что фракционированную разгонку ведут в колонне со средним питающим резервуаром, работающей в режиме отбора фракций из верхней и нижней отборных точек, а выделение целевого продукта ведут путем параллельного отбора целевой и нецелевой фракции из отборных точек по достижении в них заданных составов вплоть до возможно полного извлечения целевого продукта из исходной смеси.