Дипломная (вкр): Модернизация системы очистки сточных вод при производстве фенола

) регенерироваться простым и дешевым способом;

) иметь температуру кипения, значительно отличающуюся от температуры экстрагируемого вещества (для обеспечения легкости разделения), иметь небольшую удельную теплоту испарения и небольшую теплоемкость; не взаимодействовать с извлекаемым веществом, так как это может затруднить регенерацию экстр агента и увеличить его потери;

) по возможности не быть вредным, взрыво- и огнеопасным и не вызывать коррозию материала аппаратов; иметь небольшую стоимость.

Экстрагент должен равномерно распределяться в объеме сточной воды. Скорость подачи экстрагента в сточную воду должна быть минимальной. Она зависит от степени очистки и коэффициента распределения, который выражается отношением растворенного вещества в экстрагенте и воде. Это выражение является законом равновесного распределения и характеризует динамическое равновесие между концентрациями экстрагируемого вещества в экстрагенте и воде при данной температуре. [2]

Для экстракции фенолов из сточных вод применяют простые и сложные эфиры. Простые эфиры: диэтиловый, дибутиловый, диизопропиловый; сложные эфиры: этилацетат, н-амилацетат, изo-бутилацетат, изо-амилацетат. На ОАО «Омский каучук» в качестве экстрагента применяется диизопропиловый эфир.

Достоинствами Экстракции являются низкие рабочие температуры, рентабельность извлечения веществ из разбавленных растворов, возможность разделения смесей, состоящих из близкокипящих компонентов, и азеотропных смесей, возможность сочетания с другими технологическими процессами (ректификацией, кристаллизацией), простота аппаратуры и доступность её автоматизации. Недостатком экстракции в ряде случаев является трудность полного удаления экстрагента из экстрагируемых веществ.

4. Очистные сооружения

(Технологическая схема процесса очистки сточных вод производства фенола приведена на схеме №5)

.1 Устройство и принцип действия колонны экстракции

Методы экстрагирования органических веществ по схемам контакта экстрагента и сточной воды можно разделить на перекрестноточные, ступенчато-противоточные и непрерывно-противоточные.

При непрерывно-противоточной экстракции вода и экстрагент движутся навстречу друг другу в одном аппарате, обеспечивающем диспергирование экстрагента в воде; при этом примеси сточной воды непрерывно переходят в экстрагент.

Если плотность обрабатываемой сточной воды больше плотности экстрагента, то вода вводится в экстракционную колонну сверху, а экстрагент снизу.

(Схема № 6- процесс непрерывной экстракции)

Промышленные экстракторы как правило представляют собой устройства непрерывного действия. Экстракторы периодического действия применяют в малотоннажных производствах и при лабораторных работах.

По характеру изменения состава жидких фаз экстракционные аппараты делятся на смесительно-отстойные, колонные (дифференциально-контактные) и центробежные.

В смесительно-отстойных экстракторах происходит смешение и разделение фаз в каждой ступени. Поэтому концентрации извлекаемого компонента в экстрагенте и обрабатываемой смеси изменяются ступенчато.

В колонных экстракторах осуществляется непрерывный или близкий к непрерывному контакт экстрагента и исходного раствора. Фазы движутся противотоком друг к другу и непрерывно разделяются на выходе из аппарата. Концентрация извлекаемого компонента в фазах изменяется так же непрерывно по всему аппарату.

В центробежных экстракторах сам процесс экстракции и разделение фаз происходит в центробежном поле, причём контакт фаз может осуществляться как ступенчато, так и непрерывно.

В данном процессе, процесс очистки сточных вод от фенола диизопропиловым эфиром методом экстракции осуществляется в пульсационных экстракторах колонного типа.

В пульсационных экстракторах ввод дополнительной энергии в двухфазный поток осуществляется путём придания возвратно-поступательного движения (пульсации) жидкостям в рабочей зоне аппарата. Пульсация жидкостей увеличивает тубулизацию потоков и степень дисперсности фаз.

Для придания возвратно-поступательного движения жидкостным потокам используют бесклапанный поршневой, плунжерный или мембранный насос, или специальные пневматические устройства.

Режим работы пульсационного экстрактора зависит от интенсивности пульсации. При малой интенсивности пульсации попеременно диспергируются лёгкая жидкость в слой тяжёлой жидкости над тарелкой (первый период цикла) и тяжёлая жидкость в слой лёгкой жидкости под тарелкой (второй период цикла). При увеличении интенсивности пульсации рабочая зона равномерно заполнена мелкими каплями, движущимися в сплошной фазе.

При дальнейшем увеличении интенсивности пульсации наступает захлёбывание экстрактора вследствие образования стойкой эмульсии.

Принцип работы экстракционной колонны основан на различной растворимости выделяемых компонентов смеси (фенол и вода) в жидком растворителе (диизопропиловый эфир), составляющих две фазы. [6]

(На плакате № 7 представлена схема колонны экстракционной, для которой далее в п.5.1.-5.2 будут приведены расчеты)

Исходный раствор (фенольная вода) поступает в верхнюю часть колонны, а экстрагент (диизопропиловый эфир) поступает в нижнюю часть колонны.

В результате насыщения диизопропилового эфира фенолом получаются две новые фазы, т.е. фенол растворяется в диизопропиловом эфире, тем самым отделяясь от воды.

Для более тесного контакта эфира с фенольной водой в колонну подводится дополнительная энергия с помощью пульсатора, находящегося вне аппарата. Пульсация жидкостей увеличивает турбулизацию потоков и степень дисперсности фаз, повышая тем самым эффективность массопередачи.

В результате чего очищенная от диизопропилового эфира вода выходит из нижней отстойной зоны на отпарку, а экстракт, представляющий собой раствор фенола в диизопропиловом эфире, выходит из верхней отстойной зоны экстракционной колонны на разделение.

5. Модернизация системы очистки фенольных стоков

Описанная выше система очистки позволяет эффективно очищать сточные воды от фенола и ацетона, возвращая при этом уловленный фенол и ацетон в производство. Однако в будущем планируется расширение производства вследствие огромной потребности стран в продукции завода. Существующая система очистки не соответствует будущим условиям работы цеха. Таким образом, необходимо модернизировать работу экстракционной колонны путем изменения ее параметров, и в результате подобрать аппарат с новыми характеристиками. Площадь и материальные возможности предприятия позволяют это реализовать. Данная модернизация позволяет значительно расширить возможности системы очистки фенольных сточных вод, так как значительно увеличит объем очищенных сточных вод, поступающих на экстракционную установку из цеха 101-105 на ОАО «Омский каучук».

.1 Расчёт аппарата колонны экстракции (технологический расчет)

Определение числа теоретических ступеней экстракции:

Коэффициент распределения фенола “E” в системе принимается равным 10

Число теоретических ступеней экстракции определяется методом А.Дирихса и Р.Кубичина по формуле

x n = ,                                                           (5.1)

где x 0 - исходная концентрация фенола в воде, г/л

x n - концентрация фенола в воде после экстракции, г/л

V1 - количество фенольной воды, м3/ч

V2 - количество экстрагента, м3/ч

n - число экстракций

K =

Удельный вес фенольной воды - 1025 кг/м3

V1 =  = 1,950 м3/ч

В соответствии с данными НИИСа

V1/V2 = 2,5

x 0 =  = 43,7 г/л

x n = 0,1 г/л (принимается)

,1 =  × 43,7

(n + 1) · lg4 = lg1358

n + 1 =  = 5,23

n = 5,23 - 1 = 4,23

Необходимое число ступеней контакта - 5

Наиболее пригодным экстрактором для обесфеноливания сточных вод является пульсационная колонна с ситчатыми тарелками.

Произведем конструктивный расчет, после чего подберем новый тип аппарата колонны экстракции для установки.

.2 Расчёт аппарата колонны экстракции (конструктивный расчет)

Определение диаметра колонны: [14]

В качестве пульсатора выбираем насос марки РПНК-2/30, создающий частоту пульсации f = 1,03 1/с и амплитуду пульсации A = 0,001 м, при условии работ обеих плунжеров в одном положении.

Производительность насоса - 3 м3/ч

Нагрузка на экстрактор:

Количество сплошной фазы фенольной воды - 2004,5 кг/ч

Количество сплошной фазы диизопропилового эфира - 619 кг/ч

Площадь поперечного сечения колонны S, м2

S1,72 = ,                           (5.2)

где S - площадь поперечного сечения колонны, м2

δ - поверхностное натяжение на границе двух фаз, кг/сек

δ = 10,7 · 10-3 кг/с

γ - удельный вес сплошной фазы, кг/м3

γ = 1025 кг/м3

ε - доля живого сечения тарелки, м2/м2

ε = 0,12 (принимается)

Vнас - производительность насоса, м3/ч

γ d - объёмный расход дисперсной фазы, м3/ч

γ d = 725 кг/м3

∆ γ - разность удельных весов фаз,

∆ γ = 1025 - 725 = 300 кг/м3

μ d - вязкость дисперсной фазы, кг/м·с

μ d = 0,2 · 10-3 д

μ с - вязкость сплошной фазы, кг/м·с

μ с = 1 · 10-3 д

d 0 - диаметр отверстий в тарелках, м

d 0 = 0,003 м

h - расстояние между тарелками, м

h = 0,05 м

xf - доля задержки дисперсной фазы в момент захлёбывания, определяемая по формуле:

x f = ,                                                                           (5.3)

где Lk = Vd/Vc = 0,4

x f =  = 0,279

S1,72 = ,

S1,72 = 0,0076

S =  = 0,0585 м2

Необходимый диаметр колонны:

D =  = 0,133 м,                                                                         (5.4)

т.к. полученное значение представляет собой удвоенное значение площади сечения экстрактора, при которой наступает захлёбывание.

Расчёт высоты экстрактора:

Формула высоты единицы переноса

ВЕП =,      (5.5)

где K и m - константы, определённые из практических данных о массопередаче в аналогичной системе

x - задержка дисперсной фазы при рабочем режиме

Данное уравнение может быть использовано для расчёта ВЕП проектируемого реактора на основании данных по ВЕП экстрактора, исследовавшегося в лаборатории на системе фенольная вода-диизопропиловый эфир.

Значение экспоненты m может быть определено в результате анализа экспериментальной зависимости ВЕП от значения A f.

Для системы диизопропиловый эфир-фенол-вода при прочих примерно равных условиях при амплитудах A2 = 10 мм, A1 = 10 мм и f1 = 155/мин, f2 = 80/мин и ВЕП2 = 0,177 м, ВЕП1 = 0,179 м

Для насоса РПКН-2/30, A = 12,85 мм, f = 61,8/мин

Из ранее приведённого уравнения следует, что при прочих равных условиях:

,                                                                    (5.6)

,

m = 0,052

Для экспериментального экстрактора:

d0 = 0,002 м

n = 0,025 м/Vc = 0,465= 10 мм= 80/мин = 0,275

,                                                                   (5.7)

Подставляя в уравнение значения do, ε, n, Vd/Vc, A, f, x для проектируемого и экспериментального экстракторов, вычисляем отношение ВЕП1/ВЕП2

Задержка дисперсной фазы для экспериментального экстрактора xD1

L k = Vd/Vc = 0,4

xD1 == 0,261

Задержка дисперсной фазы для испытавшегося экстрактора xD2

L k = Vd/Vc = 0,465

xD2 =  = 0,275

ВЕП1 = 0,179 · 1,75 = 0,314 м

Кроме этого необходимо учесть влияние увеличения диаметра на величину ВЕП по формуле Торнтона:

ВЕП = ,                                                                     (5.8)

где d1 и d2 - диаметр проектируемого и испытавшегося экстрактора в футах

ВЕП =  = 0,4 м

Высота, эквивалентная теоретической ступени контакта

,                                                                                  (5.9)

где ρ - наклон рабочей линии,

m - наклон линии равновесия

m = 10 (число равно коэффициенту распределения)

                                                                                       (5.10)

= 2,27,

                                                                      (5.11)

 = 0,77 м

Высота экстрактора Н

H = 5 · ВЭТС                                                                                 (5.12)

Н = 5 · 0,77 = 3,85

Диаметр отстойных частей принимается равным 400 мм.

Высота нижней отстойной части 1,4 м.

Высота верхней отстойной части 0,6 м

Время отстоя обесфеноленной воды:

 = 0,085 часа                                                                (5.13)

Время отстоя насыщенного экстракта:

 = 0,088 часа

К установке принимается аппарат следующей характеристики:

диаметр экстракционной части 200 мм,

диаметр отстойных частей 400 мм,

количество тарелок 18 шт.

доля живого сечения тарелки 0,12

диаметр отверстий в тарелке 0,003 м

общая высота колонны 7060 мм,

материал - сталь углеродистая, Х18Н10Т (см.плакат № 7)

6. Технологическая часть

Методы получения фенола

История фенола насчитывает уже более 160 лет. Впервые он был выделен из каменноугольной смолы в 1834 г., откуда и получил свое название - карболовая (угольная) кислота. Быстрый рост потребления фенола поставил вопрос об искусственных способах его получения, создание которых является одной из самых ярких страниц в истории органической химии. Синтетические методы синтеза фенола различаются природой используемого сырья, химизмом и экономичностью процесса. Они могут быть подразделены на:

сульфонатный, состоящий в щелочном плавлении бензолсульфокислоты;

хлорные, заключающиеся в щелочном или воднопаровом гидролизе хлорбензола;

окислительные, основанные на окислении до фенола бензола, толуола и циклогексана.

Из синтетических методов производства фенола промышленное значение имеют следующие:

каталитическое окисление толуола - прямое окисление бензола в среде уксусной кислоты;

окислительное хлорирование бензола;

кумольный метод совместного производства фенола и ацетона через изопропилбензол;

из бензола через циклогексан.

Но все-таки наиболее целесообразным с экономической точки зрения является востребованный в настоящее время кумольный процесс. [12]