СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ БИАЗЕОТРОПНОЙ СМЕСИ БУТИЛПРОПИОНАТ-ПРОПИОНОВАЯ КИСЛОТА
METHOD OF SEPARATING BIAZETROPIC MIXTURE BUTYLPROPIONATE-PROPIONIC ACID

Изобретение относится к области основного органического синтеза, а именно к способу разделения биазеотропной смеси бутилпропионат (БП)-пропионовая кислота (ПК).
Известен способ разделения данной смеси реэкстрактивной ректификацией (РЭР) при давлении 104,9 мм рт.ст. [Митюшкина И.А., Челюскина Т.В., Фролкова А.К. Исследование диаграмм α-линий в системе бутилпропионат - пропионовая кислота -окись мезитила // Тезисы докл. XIV Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии - 2008». Ч.1. Волгоград, 2008. С. 136; Челюскина Т.В., Митюшкина И.А., Фролкова А.К. Исследование изолиний относительной летучести в трехкомпонентных системах с биазеотропной бинарной составляющей // XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии: тез. докл., Волгоград, 25-30 сентября 2011. Волгоград: ИУНЛ ВолгГТУ, 2011. Т.1. С.424;
Челюскина Т.В., Митюшкина И.А., Фролкова А.К., Чернышева М.А. Разделение биазеотропных смесей с использованием легколетучих дополнительных веществ. // Химическая технология. 2011. №12. С.730-736].
К недостаткам данного метода можно отнести сложность технологии, которая заключается в использовании трехколонного комплекса РЭР и необходимости организации двойной реэкстрактивной ректификации, то есть наличие двух колонн РЭР, которое связано с необходимостью компенсации фактического снижения селективности легколетучего разделяющего агента (РА) за счет его преимущественного перехода в паровую фазу.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению и достигаемому результату является процесс экстрактивной ректификации (ЭР) смеси бутилпропионат-пропионовая кислота с диметилсульфоксидом (ДМСО) при 104,9 мм рт.ст.[Т. Chelyuskina, I.Mityushkina, A.Frolkova. Estimation of possibility of industrial mixture separation by extractive rectification // Proceedings 35th International Conference of Slovak Society of Chemical Engineering. Tatranske Matliare. Slovakia, May 26-30, 2008. P.174; Митюшкина И.А. Разделение бинарных биазеотропных смесей с использованием дополнительных веществ различной летучести: дис....канд. техн. наук. М.: МИТХТ, 2011. 217 с; Челюскина Т.В. Теоретические основы ректификационного разделения биазеотропных смесей: дис.… докт. техн. наук. - М.: МИТХТ, 2011. 196 с.].
0
Лучшие результаты разделения получены при следующих условиях. Эффективность колонны ЭР составляет 50 теоретических тарелок (т.т.), исходную смесь бутилпропионат-пропионовая кислота подают на 30 т.т., (считая сверху), разделяющий агент диметилсульфоксид на 10 т.т. Соотношение исходной смеси (F) к разделяющему агенту (РА) составляет 1:0,5. Флегмовое число равно 7. Верхний продукт представляет собой бутилпропионат (93,19%) с содержанием диметилсульфоксида (6,81%); кубовый продукт колонны ЭР (1) - смесь пропионовой кислоты и диметилсульфоксида практически равных концентраций (48,04% и 51,81%) с примесью бутилпропионата (0,15%).
Недостатком прототипа является отсутствие схемы полного разделения биазеотропной смеси бутилпропионат-пропионовая кислота (рассмотрена только колонна экстрактивной ректификации). ДМСО образует азеотропы с компонентами исходной смеси, что не позволило выделить целевой продукт заданного качества в колонне ЭР и сделало невозможным разделение исходной смеси на чистые компоненты.
Технический результат данного изобретения заключается в упрощении технологии и сокращении капитальных затрат, а также повышении качества получаемых продуктов.
Технический результат достигается способом разделения биазеотропной смеси бутилпропионат-пропионовая кислота, включающим экстрактивную ректификацию с применением в качестве разделяющего агента сульфолана (СФ), взятого в соотношении 1:5-6 к исходной смеси в колонне ЭР эффективностью 35-50 т.т., причем флегмовое число в колонне составляет 1-3, производится отбор бутилпропионата в дистилляте и смеси пропионовая кислота-сульфолан в кубе колонны (1); затем смесь ПК-СФ подается в колонну регенерации разделяющего агента (2) эффективностью 8 т.т., значение флегмового числа составляет 0.5-1, из куба колонны (2) выводится разделяющий агент и подается в колонну (1). Давление в колоннах (1)-(2) составляет 100 мм рт.ст.
Прогноз возможных продуктов экстрактивной ректификации осуществлялся на основе анализа изменений относительной летучести разделяемых компонентов в присутствии разного количества РА. С помощью вычислительного эксперимента было рассчитано парожидкостное равновесие в системе БП-ПК-СФ в сечениях концентрационного треугольника с концентрацией сульфолана 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 мольных долей; построен ход α-линий в концентрационном симплексе трехкомпонентной системы, который показал, что в присутствии СФ увеличивается летучесть БП и сульфолан обладает селективностью, достаточной для разделения смеси БП-ПК экстрактивной ректификацией.
Технологическая схема процесса экстрактивной ректификации разделения бинарной биазеотропной смеси состоит из двух колонн (фиг.1). В отгонную часть первой колонны ЭР (1) подают исходную смесь БП-ПК эквимолярного состава в количестве 1 кмоль/час, а СФ вводят в верхнее сечение колонны. Отношение количества РА и исходной смеси в колонне (1) изменяется от 1 до 6. В дистилляте первой колонны отбирают практически чистый бутилпропионат, а кубовый продукт (бинарная смесь ПК-СФ) направляют в следующую колонну регенерации разделяющего агента (2), в кубе которой выходит чистый разделяющий агент и возвращается обратно в колонну (1). Дистиллят колонны (2) представляет собой практически чистую пропионовую кислоту. В колоннах (1) и (2) поддерживается давление 100 мм рт.ст. Процесс разделения ориентирован на получение продуктов (бутилпропионата и пропионовой кислоты) с чистотой не менее 99.5 мол.%.
Проведены компьютерные исследования более 70 различных режимов работы колонн схемы разделения. Для выбора оптимального режима варьировались следующие параметры колонн: эффективность (число теоретических тарелок), соотношение количеств питания и разделяющего агента, флегмовое число и уровни подачи исходной смеси и РА.
Примеры режимов работы схемы разделения биазеотропной смеси БП-ПК, в которых достигнуто требуемое качество продуктов, приведены в табл.1.
Таким образом, нами предлагается способ, включающий принципиальную технологическую схему полного разделения биазеотропной смеси бутилпропионат-пропионовая кислота с использованием тяжелокипящего разделяющего агента - сульфолана. Предлагаемый способ позволяет получить целевые продукты (БП, ПК) заданного качества - 99.5 мол.%.
Таблица 1
Режимы работы схемы разделения биазеотропной смеси бутилпропионат-пропионовая кислота
№ примера
Параметры работы колонны (R - флегмовое число, Fo/PA - соотношение питания и разделяющего агента, N<sub>(1)</sub>N<sub>(2)</sub> - (кол-во т.т. в клоннах 1, 2)
Исходная смесь
Разделяющий агент
Продуктовые потоки
Кол-во, кмоль/час
Состав,мол.%
Кол-во, кмоль/час
Состав, мол.%
БП
ПК
БП
ПК
Кол-во, кмоль/час
Состав, мол.%
Кол-во, кмоль/час
Состав, мол.%
1
N<sub>1</sub>=50
1
50
50
5
100
0,5
99,90
0,5
99,86
N<sub>2</sub>=8
R<sub>1</sub>=1
R<sub>2</sub>=0,5
F<sub>0</sub>/PA=1/5
2
N<sub>1</sub>=50
1
50
50
5
100
0,5
99,95
0,5
99,91
N<sub>2</sub>=8
R<sub>1</sub>=2
R<sub>2</sub>=0,5
F<sub>0</sub>/PA=1/5
3
N<sub>1</sub>=50
1
50
50
6
100
0,5
99,99
0,5
99,88
N<sub>2</sub>=8
R<sub>1</sub>=1
R<sub>2</sub>=0,5
F<sub>0</sub>/PA=1/6
4
N<sub>1</sub>=40
1
50
50
5
100
0,5
99,54
0,5
99,59
N<sub>2</sub>=8
R<sub>1</sub>=1
R<sub>2</sub>=0,5
F<sub>0</sub>/PA=1/5
5
N<sub>1</sub>=40
1
50
50
5
100
0,5
99,74
0,5
99,70
N<sub>2</sub>=8
R<sub>1</sub>=2
R<sub>2</sub>=0,5
F<sub>0</sub>/PA=1/5
6
N<sub>1</sub>=40
1
50
50
6
100
0,5
99,89
0,5
99,79
N<sub>2</sub>=8
R<sub>1</sub>=1
R<sub>2</sub>=0,5
F<sub>0</sub>/PA=1/6
7
N<sub>1</sub>=35
1
50
50
5
100
0,5
99,53
0,5
99,51
N<sub>2</sub>=8
R<sub>1</sub>=1
R<sub>2</sub>=0,5
F<sub>0</sub>/PA=1/5
8
N<sub>1</sub>=35
1
50
50
5
100
0,5
99,89
0,5
99,86
N<sub>2</sub>=8
R<sub>1</sub>=2
R<sub>2</sub>=0,5
F<sub>0</sub>/PA=1/5
9
N<sub>1</sub>=35
1
50
50
5
100
0,5
99,93
0,5
99,84
N<sub>2</sub>=8
R<sub>1</sub>=1
R<sub>2</sub>=0,5
F<sub>0</sub>/PA=1/6