ГЛАВА 2
ФРАКЦИОНИРОВАНИЕ КАМЕННОУГОЛЬНОЙ СМОЛЫ.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
Фракционирование КУС является основной технологической стадией переработки, определяющей, в конечном счете, возможность выделения индивидуальных соединений из многокомпонентной системы. Основная задача фракционирования КУС - обеспечить последующие стадии технологической цепи материальным потоком такого состава, который позволит эффективно использовать возможности этих стадий. Вне зависимости от физико-химической основы процесса на каждой последующей стадии (ректификация в любых вариантах, химическое взаимодействие, перекристаллизация, экстракция и др.) эффективность этих стадий будет тем выше, чем yже компонентный состав перерабатываемой фракции. Необходимость упрощения компонентного состава приобретает все большее значение при повышении температуры кипения основных ее компонентов. Поэтому следует уделить большое внимание технологии фракционирования КУС, технологии выделения из нее целевых высококипящих фракций.
Существующая схема фракционирования КУС на коксохимических заводах Украины и других стран основана на принципе равновесного однократного испарения смолы на одноколонных и двухколонных трубчатых агрегатах, позволяющих вырабатывать пек и ограниченное число фракций (пять - шесть) невысокого качества. В соответствии с теорией температура однократного испарения (tо.и.) должна обеспечивать равновесие между жидкой (пеком) и паровой фазами смолы [1, 2], что не позволяет при фракционировании широкого дистиллята получить узкие фракции с максимальным извлечением основных ароматических углеводородов.
Зарубежные схемы фракционирования отличаются большим разнообразием [3, 4]. Так, процесс "Копперс" (рис. 2.1) предусматривает двукратное испарение смолы и последующую ректификацию на двух основных колоннах, одна из которых работает при атмосферном давлении, а вторая - под вакуумом [5].
К недостаткам данного процесса ректификации можно отнести потерю нафталина с парами второй ступени испарения.
Этот недостаток отсутствует в технологических схемах, разработанных фирмами "Проабд" (Франция) и "Вилтон" (Англия), в которых пары второй ступени испарения направляются во вторую ректификационную колонну и после выделения антраценовой и поглотительной фракций возвращаются на первую колонну вместе с парами первой ступени испарения [6]. Схема фирмы "Вилтон" приведена на рис. 2.2.
Рис. 2.1 Схема двукратного испарения смолы по способу фирмы "Копперс"
Рис. 2.2 Схема переработки каменноугольной смолы по способу фирмы "Вилтон"
Многократное испарение смолы и переработка полученных дистиллятов на нескольких колоннах осуществляется также фирмами "Рютгерсверке" на заводах Дуйсбург-Майдерих (Германия) и "Юнайтед Стейтс Стил" в Клертоне (США) [7-9]. На рис. 2.3 показана схема переработки КУС на заводе фирмы "Рютгерсверке" в Кастроп-Раукселе, одном из крупнейших заводов в мире с годовой производительностью по смоле около 500 тыс. т, а на рис. 2.4 - многоколонная технологическая схема в Клертоне (США), обеспечивающая получение широкого ассортимента химических продуктов.
Рис. 2.3 Схема дистилляции КУС в Кастроп-Раукселе
Процессы переработки КУС с использованием многоступенчатого испарения и многократной ректификации позволяют сосредоточить нафталин в нафталиновой фракции на уровне 85-90 % от его ресурсов в смоле и получить качественную поглотительную фракцию, используемую для абсорбции бензольных углеводородов из коксового газа.
Рис. 2.4 Многоколонная технологическая схема переработки КУС на заводе в Клертоне (фирма "Юнайтед Стейтс Стил" (США))
Известно, что одним из основных факторов, влияющим на величину безвозвратных потерь нафталина с высококипящими фракциями, является его высокое содержание в питании колонны, на которой происходит выделение поглотительной и антраценовых фракций. При однократном испарении смолы содержание нафталина в питании этой колонны доходит до 25 %, а при двукратном испарении - примерно в 2,5 раза меньше. Поэтому можно утверждать, что двукратное испарение КУС снижает содержание нафталина в поглотительной и антраценовых фракциях, что обеспечивает повышение коэффициента его извлечения.
При необходимости на стадии ректификации можно выделять узкие, уникальные фракции, в частности, метил- и диметилнафталиновые, пиреновую фракции.
Приведенные в разделе 1.4. технологические аспекты и теоретические предпосылки убеждают в преимуществах фракционирования КУС по схеме многократного испарения. Выполненные в УХИНе исследования [10-13], а также данные работы [14] экспериментально подтверждают этот вывод. Эти преимущества касаются всего ассортимента продуктов переработки КУС, хотя конъюнктура рынка, естественно, может и должна оказывать влияние на оптимальность той или иной компоновки схемы.
На установке (рис. 2.5) была изучена в лабораторных условиях зависимость выхода и компонентного состава дистиллята (паровой фазы) от температуры однократного испарения КУС [11]. Объектом исследования служила обезвоженная смола плотностью 1205 кг/м3 при 20 оС с содержанием веществ, нерастворимых в толуоле (? - фракция) 10,78 %, и нерастворимых в хинолине (?1 - фракция) 5,95 %.
В табл. 2.1 приведен компонентный состав исследованного образца смолы, а в табл. 2.2 - физико-химические характеристики равновесных фаз в зависимости от температуры однократного испарения смолы.
Рис. 2.5 Принципиальная схема установки однократного испарения каменноугольной смолы:
1 - сборник обезвоженной смолы; 2 - подогреватель; 3 - испаритель; 4 - приемник; 5 - холодильник; 6 - промежуточный сборник
Таблица 2.1
Компонентный состав смолы
Наименование компонентаСодержание, % по массе Низкокипящие0,33 Индан0,23 Инден0,31 Бензонитрил0,18 Нафталин9,74 Тионафтен0,41 ?-Метилнафталин1,16 ?-Метилнафталин0,74 Фенол + крезолы0,74 Дифенил0,87 Хинолин0,59 Диметилнаф