Исследование физико-химических свойств смеси ацетонитрил – циклогексанон и оценка возможности её разделения с использованием ректификации

Актуальность темы

Циклогексанон – важное органическое соединение, на основе которого получают капролактам и далее − полиамиды, широко используемые в медицинской, текстильной, строительной промышленности. Перспективным методом получения соединения является окисление циклогексена в присутствии палладиевых катализаторов в среде растворителя ацетонитрила. Реакция проводится при комнатных условиях и атмосферном давлении, отсутствуют побочные продукты. На одном из этапов разделения требуется отделить растворитель от целевого продукта. Чтобы определить возможность разделения смеси, необходимо исследовать её физико-химические свойства. Актуальность работы заключается в оценке возможности разделения составляющих промышленной смеси производства циклогексанона.

Цель

Оценка возможности ректификационного разделения смеси ацетонитрил (растворитель) – циклогексанон (целевой продукт) различного состава на основе исследования физико-химических свойств смеси.

Задачи

• Исследование зависимости температуры кипения смеси от концентрации ацетонитрила (натурный эксперимент).
• Выбор модели и проверка адекватности математического моделирования.
• Расчёт материального баланса колонны и процесса ректификации смеси разного состава.
• Подбор параметров работы колонны (вычислительный эксперимент).

Описание

Для достижения цели был организован и проведён натурный эксперимент по изучению зависимости температуры кипения смеси от концентрации ацетонитрила. В результате выполнения натурного эксперимента (эбулиометрия) показано, что поведение смеси ацетонитрил – циклогексанон близко к идеальному (компоненты обладают большой разницей в температурах кипения, на зависимости температуры кипения смеси от концентрации ацетонитрила отсутствуют экстремальные точки), что делает возможным разделение смеси обычной ректификацией.

С применением вычислительного эксперимента в программном комплексе AspenPlus (на основе модели UNIFAC) проведён расчёт температуры кипения смеси (расчётные данные) и определены абсолютные и относительные ошибки описания этого свойства (сравнение с экспериментальными). Величина относительной ошибки не превысила 5 %, что свидетельствует о правильности выбора модели и возможности её применения для дальнейших расчётов. Для смеси различного исходного состава проведён расчёт материального баланса ректификационной колонны: изменяя тарелку питания исходной смеси и флегмовое число, были подобраны такие параметры работы колонны, при которых возможно получение циклогексанона товарного качества (отвечающего ГОСТ-24615-81) при минимальных энергозатратах. Показано, что при увеличении флегмового числа и величины отбора дистиллята энергозатраты возрастают. Выбор тарелки питания смеси практически не влияет на энергозатраты.

Результат

Натурный эксперимент показал, что исследуемая система ацетонитрил-циклогексанон азеотропна и может быть разделена с использованием ректификации.

На основании расчёта процесса ректификации в программном комплексе AspenPlus исследовано влияние различных параметров колонны (флегмового числа, тарелки питания, величины отбора дистиллята) на энергозатраты.

Рекомендуемые параметры работы колонны разделения смеси разного состава: высота – 10 тарелок, тарелка питания – 7−8; флегмовое число – 0,8−1,1.

Оснащение и оборудование

Эбулиометр Свентославского

Аналитические весы ScienTech

Лицензионное программное обеспечение AspenPlus V.10.0

Перспективы использования результатов работы

Полученные результаты могут быть в дальнейшем использованы для разработки технологии получения циклогексанона из циклогексена.

Награды/достижения

Открытая научно-практическая конференция «Циолковский-2019. Обучая будущему» в рамках городского проекта «Школа новых технологий» − диплом лауреата I степени.

Сотрудничество с вузом при создании работы

Работа выполнялась на кафедре химии и технологии основного органического синтеза МИРЭА – Российского технологического университета.

Особое мнение

«Нашей небольшой команде очень интересно и престижно учиться в инженерных классах в ГБОУ Школа № 1420. Мы с большим энтузиазмом выполнили проектно-исследовательскую работу на кафедре МИРЭА, так как понимаем важность поставленных перед нами задач по предпрофессиональному овладению инженерными знаниями. Работу над проектом в 9 классе мы продолжим.

Что касается самой конференции, то хочется отметить её организацию на самом высоком уровне»