УДК 661.742.1

Обзор методов модернизации колонны выделения растворителя с целью снижения потерь акриловой кислоты со сточными водами

Пывина Александра Сергеевна – ведущий инженер-технолог АО Сибур-Нефтехим, г. Дзержинск.

Садиков Антон Юрьевич – эксперт цифровых технологий АО Сибур-Нефтехим, г. Дзержинск.

Чубенко Мария Николаевна – кандидат технических наук, доцент кафедры «Химические и пищевые технологии» Дзержинского политехнического института Нижегородского государственного технического университета имени Р.Е Алексеева.

Аннотация: Статья посвящена поиску типов контактных устройств, которые возможно применить в условиях работы с полимеризующимися технологическими средами, а также поиску альтернативных решений, способных увеличить разделительную способность колонны и создать запас по мощности. Проведен обзор и обобщение информации по производству акриловой кислоты. Приведены рекомендации по технологическим решениям в производстве акриловой кислоты: по оптимизации работы колонны, фактическом количестве тарелок в колонне, замены растворителя и рабочим параметрам процесса, которые позволят без потери качества основного продукта снизить гидравлическое сопротивление в колонне и потенциально увеличить производительность колонны.

Ключевые слова: акриловая кислота, ректификационная колонна, контактные устройства, полимеризующаяся среда, разделительная способность, выделение растворителя.

В производстве акриловой кислоты узким местом является колонна выделения растворителя. С целью снижения потерь акриловой кислоты со сточными водами рассматривается замена верхнего участка внутренних контактных устройств, представленных ситчатыми тарелками провального типа, на насадку или другие тарелки с большим коэффициентом полезного действия и меньшим гидравлическим сопротивлением. В настоящее время колонна выделения растворителя находится в режиме «захлебывания» без возможности эффективного разделения растворителя и акриловой кислоты, и дальнейшего увеличения производительности колонны. Замена контактных устройств – достаточно рискованное предложение, так как раствор акриловой кислоты является полимеризующейся средой, из-за которой выбор внутренних контактных устройств и подбор технологического режима колонны становятся затруднительными.

В данной работе проведен поиск типов контактных устройств, которые возможно применить в условиях работы с полимеризующимися технологическими средами, а также поиск альтернативных решений, способных увеличить разделительную способность колонны и создать запас по мощности.

Литературный обзор был начат с поиска информации о способах увеличения разделительной способности ректификационных колонн. В различных источниках информации предлагаются примерно одни и те же способы: регулирование флегмового числа и тепловой нагрузки на колонну, изменение высоты и диаметра колонны, изменение тарелки ввода питания в колонну и так далее.

В источнике [1] в качестве основного решения по увеличению разделительной способности рассматривается замена внутренних устройств колонного оборудования. В своей работе авторы отражают возможные виды контактных устройств с указанием производителей. Так как патентный поиск был направлен на поиск потенциальных поставщиков внутренних контактных устройств, то данная работа является дополнением. Автором особо выделяются такие производители, как Глитч, ВНИИНЕФТЕМАШ, Sulzer и другие. Данный список будет полезен при проведении тендера на поставщика.

Нынешняя политическая ситуация практически не позволяет обращаться к зарубежным поставщикам, поэтому заинтересовал производитель ВНИИНЕФТЕМАШ, указанный в источнике [1] как отечественный производитель. Дальнейший поиск потенциальных производителей, на сайтах которых может быть размещена информация с предложениями о контактных устройствах, привел к другому отечественному производителю ООО «ХИММАШ-АППАРАТ», на сайте которого есть информация о тарелках, которые можно применять в условиях работы с полимеризующимися средами.

«Просечные тарелки (КПД 60%/70%) для загрязненных полимеризующихся сред, а также комбинированные просечно-клапанные тарелки «КПК», которые сочетают в себе преимущества клапанных и просечных тарелок. Тарелки просты в изготовлении и установке клапанов. Перечисленные тарелки могут также успешно работать и в процессе абсорбции (очистка газов от H₂S). Применяются при реконструкции действующих абсорберов», - указано на сайте ООО «ХИММАШ-АППАРАТ» [2].

Дальнейший литературный поиск по альтернативным вариантам внутренних устройств для полимеризующихся сред практически не дал результата. Информация на сайте Sulzer и др. не содержала никакой конкретной информации и предложений, способных удовлетворить одну из целей литературного обзора.

Таким образом, литературный обзор с целью поиска конкретных типов внутренних контактных устройств для рассматриваемого производства акриловой кислоты вывел только на потенциальных производителей, с которыми необходима дальнейшая проработка вопросов эксплуатации и применимости их продукта в действующем колонном оборудовании.

Так как основная цель литературного обзора была поиск альтернативных замене внутренних контактных устройств решений, обзор был сосредоточен в основном на зарубежных источниках информации. Данное решение обосновывается следующим. Установок по производству акриловой кислоты в России всего две, это установки, принадлежащие Газпром и СИБУР. Лицензиарами установок являются японские компании, отечественные научно-исследовательские организации не заинтересованы в изучении и оптимизации технологического процесса по производству акриловой кислоты, так как акриловая кислота является малотоннажным продуктом и применяется в основном на тех же самых установках для производства эфиров.

Литературный обзор с целью поиска модернизации колонны выделения растворителя не дал результата. Соответственно, далее обзор проводился по всем колоннам и найденные решения анализировались на применимость на конкретной колонне.

В работе [3] в особых условиях ведения процесса по производству и выделению акриловой кислоты из реакционной смеси указано следующее: «Acrylic acid also has a tendency to polymerize; therefore, polymerization inhibitors, such as hydroquinone, must be injected throughout the system.». (Акриловая кислота также имеет тенденцию к полимеризации; поэтому ингибиторы полимеризации, такие как гидрохинон, необходимо вводить по всей системе.) Данная рекомендация по использованию ингибиторов для предотвращения полимеризации важна и уже применяется в соответствии с данными лицензиара.

В источнике [3] также рассматривается способ замены используемого растворителя для экстракции акриловой кислоты из водного раствора. Авторами прорабатывался способ замены растворителя с диизопропилового эфира с достаточно низкой температурой кипения. В итоге, в работе авторами рекомендуется использовать изопропилацетат с температурой кипения 89 ℃. В настоящее время в производстве акриловой кислоты в СИБУР-Нефтехим используется изобутилацетат с температурой кипения около 126 ℃, при том, что температура кипения акриловой кислоты достаточно близкая 141 ℃. Использование растворителя с меньшей температурой кипения позволит получить акриловую кислоту более высокого качества, повысит разделительную способность в колонне выделения растворителя и, потенциально, снизит тепловые нагрузки на кипятильники колонн. Перечисленные моменты делают решение о замене растворителя на изопропилацетат достаточно интересным.

Далее в источнике [3] рассматривался такой способ оптимизации процесса, как замена внутренних устройств в экстракторе – замена насадки на ситчатые тарелки. Данное решение не подходит для реализации на установке производства акриловой кислоты СИБУР-Нефтехима, так как на данной установке экстрактор представлен роторно-дисковым экстрактором, с мешалкой и перфорированными контактными устройствами, которые по сути своей являются разновидностью ситчатых тарелок.

В работе также принято решение об оптимизации флегмового числа в колоннах с помощью программного обеспечения Aspen. В связи с тем, что настоящая колонна выделения растворителя работает в «предзахлебном» режиме и что в последнее время была увеличена производительность установки до 103 т/сут по акриловой кислоте эфирного качества, оптимизация режима работы колонны может принести некоторый результат.

В работе [4] помимо способов оптимизации процесса получения акриловой кислоты, указанных в работе [3], анализируется еще один способ. Авторы пишут: «Through iterative procedures, each column's concentration profile was analyzed in Aspen so that conclusions can be made on at what plate maximum outlet concentration is achieved and therefore which remaining stages are superfluous». (С помощью итеративных процедур в Aspen был проанализирован профиль концентрации каждой колонки, чтобы можно было сделать выводы о том, на какой тарелке достигается максимальная концентрация на выходе и, следовательно, какие оставшиеся тарелки являются излишними.) Это достаточно интересное предложение – проанализировать составы потоков на тарелках и исключить «лишние». Главное, данное предложение возможно будет полезным для настоящей установки, так как исключение нескольких тарелок позволит снизить гидравлическое сопротивление в колонне и, может быть, даже создаст некоторый запас мощности.

Публикацию [5] удалось рассмотреть не в полной версии, а демо-версия не содержит в себе в полной мере информации о том, как именно автор с помощью Aspen оптимизирует процесс разделения реакционной смеси. Тем не менее, она дает общее представление о способах оптимизации, применяемых при моделировании: «The optimization parameters consists of reflux ratio, feed stages location, temperature, pressure, re-boiler heat duty and flow rate of solvent that used in whole acrylic acid plant for optimization». (Параметры оптимизации включают коэффициент обратного осмоса, расположение тарелок подачи, температуру, давление, тепловую мощность котла и расход растворителя, который используется во всей установке по производству акриловой кислоты для оптимизации.) Автор также указывает о необходимости моделирования и оптимизации технологического процесса после каждого шага по увеличению производительности установки.

В работе [6] отмечен один интересный факт: «The distillation is performed at a low vacuum – 0.2 bar. This is in order to keep the reboiler temperature at a relatively low 90 °C. This is due to a high temperature constraint on highly pure AA. According to Foo et al., around 110 °C highly pure AA will polymerize. Keeping the distillation temperature and pressure low avoids this problem». (Дистилляция проводится при вакууме – 0,2 бар. Это необходимо для поддержания температуры в ребойлере на относительно низком уровне 90°C. Это связано с температурными ограничениями для высокочистой акриловой кислоты. Согласно Foo и соавт., при температуре около 110 °C высокочистая акриловая кислота полимеризуется. Поддержание низкой температуры и давления дистилляции позволяет избежать этой проблемы.) На данный момент температура в кубе колонны выделения растворителя несколько выше по факту, чем рекомендуется. В действительности, полимеризация колонны является одной из причин увеличения гидравлического сопротивления, «захлебывания» колонны и ее ограничения по производительности. Следует рассмотреть возможность еще большего снижения давления в колонне и, соответственно, температуры. Данный момент требует глубокой проработки.

Авторы в источнике [7] рекомендуют использовать ситчатые тарелки вместо клапанных или колпачковых или насадки: «Sieve trays (as opposed to bubble or valve-type trays) were chosen because of their ease of installation and lower cost compared to packed columns. The choice of sieve trays was also facilitated by their well-known design procedures, low fouling tendency and large capacity». (Ситчатые тарелки (в отличие от колпачковых или клапанных тарелок) были выбраны из-за их простоты установки и более низкой стоимости по сравнению с насадочными колоннами. Выбору ситчатых тарелок также способствовали их хорошо известные конструктивные решения, низкая склонность к засорению и большая вместимость.) На настоящем оборудовании (в колонне регенерации растворителя и в колонне выделения растворителя из раствора акриловой кислоты) фактически используются как раз ситчатые тарелки. Основной идеей по оптимизации колонны была как раз замена внутренних контактных устройств – на тарелки клапанных или колпачковые или насадку. Если верить авторам публикации [7], данная идея только ухудшит работу колонного оборудования в нашем производственном процессе. Но известно, что насадочные устройства позволяют увеличить производительность и снизить гидравлическое сопротивление. Необходима углубленная проработка данной темы совместно с производителями контактных устройств.

В источнике [7] авторы также рекомендуют держать температуру в колоннах не выше 90 ℃ с целью предотвращения полимеризации.

Таким образом, выполненный обзор показывает отсутствие на отечественном рынке производителей какого-либо специализированного оборудования для процессов получения акриловой кислоты, а, соответственно, и отсутствие некоторых знаний, исследований, статей в данной области.

В целом, информация о производстве акриловой кислоты и какие-либо технологические решения являются закрытой информацией и мало упоминаются даже в зарубежных публикациях в открытых источниках информации.

Кроме того, в связи с тем, что настоящая установка является одной из первых спроектированных установок производства акриловой кислоты, затрудняется использование публикуемой информации в связи с индивидуальными особенностями эксплуатации установки, что подтверждает актуальность рассматриваемой проблемы и необходимость проведения исследований для поиска способов ее решения.

Тем не менее, в ходе проведения литературного обзора было найдено несколько интересных решений, которые необходимо более глубоко проработать теоретически и экспериментально перед принятием решения о реализации:

поддерживать температуру в процессе выделения акриловой кислоты из реакционной массы не выше 90 ℃ для предотвращения полимеризации;
рассмотреть следующие способы оптимизации работы колонн: изменение флегмового числа, тепловой нагрузки на конденсаторы и кипятильники, изменение тарелки ввода питания, способов ввода рецикловых греющих и охлаждающих потоков в колонну. Данные моменты необходимо рассматривать в комплексе с технологическим моделированием и экспериментальными исследованиями на лабораторном оборудовании;
проанализировать необходимость в фактическом количестве тарелок в колонне, рассмотреть вариант отказа от некоторого количества без потери качества основного продукта с целью снижения гидравлического сопротивления и потенциального увеличения производительности колонны;
рассмотреть вариант замены растворителя с изобутилацетата на изопропилацетат или другие. Для оценки данного решения необходимо проведение НИОКР специализированной научно-исследовательской организацией.

Список литературы

Ясавеев Х.Н., Лаптев А.Г., Фарахов М.И. Модернизация установок переработки углеводородных смесей. Казань: Издательство «ФЭН», 2004. – 307 с.
Сайт компании ООО «ХИММАШ-АППАРАТ». [Электронный ресурс]. URL: https://him-apparat.ru/tarelki-po-atk/
Стефани Лин, Кимберли Мэнни, Дэвид Смит, Абеби Стаффорд. Производство акриловой кислоты: разделение и очистка. [Электронный ресурс]. URL: http://www.owlnet.rice.edu/~ceng403/gr2499/aagrphtml
Элизабет Тайсон, Брайан Кирш, Рошан Гумматтира. Получение акриловой кислоты путем каталитического частичного окисления пропилена: конструкция разделения. 1999 г. [Электронный ресурс]. URL: http://www.owlnet.rice.edu/~ceng403/gr21099/acrylicacid2
ЧЬЮ ЙИ КЕТ. ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА АКРИЛОВОЙ КИСЛОТЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АСПЕН ПЛЮС. УНИВЕРСИТЕТ МАЛАЙЗИИ ПАХАНГ. 2013. – 134 c. [Электронный ресурс]. URL: http://umpir.ump.edu.my/id/eprint/5834/1/OPTIMIZATION%20ON%20ACRYLIC%20ACID%20PLANT%20BY%20USING.pdf
Адам Ферье. Проектирование и анализ затрат на установку по производству акриловой кислоты. Университет Арканзаса, Ферсити Арканзаса, Фейетвилл. 2019. – 84 c. [Электронный ресурс]. URL: https://scholarworks.uark.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1138&context=cheguht
Сандиле Мтоло, доктор Д. Лохат, доктор У. Нельсон. Проектирование завода по производству акриловой кислоты производительностью 100000 тонн в год. 2017. – 37 c. [Электронный ресурс]. URL: https://www.academia.edu/35357410/Acrylic_Acid_Plant_Design_Absorption_Column_pdf