chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2017-12-5-34-46chemicallytech-114Research ArticleTHEORETICAL BASIS OF CHEMICAL TECHNOLOGYТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИACETONE-CHLOROFORM-n-BUTANOL MIXTURE SEPARATION BY THE EXTRACTIVE DISTILLATION IN SCHEMES OF TWO-OUTLET COLUMNSРАЗДЕЛЕНИЕ СМЕСИ АЦЕТОН-ХЛОРОФОРМ-н-БУТАНОЛ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭКСТРАКТИВНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ В СХЕМАХ ИЗ ДВУХОТБОРНЫХ КОЛОННАнохинаЕ. А.AnokhinaE. А.

кандидат технических наук, доцент кафедры химии и технологии основного органического синтеза

119571, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 86

Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Chair of Chemistry and Technology of General Organic Synthesis

86, Vernadskogo Pr., Moscow, 119571, Russia

anokhina.ea@mail.ruГрачеваИ. М.GrachevaI. M.

студент кафедры химии и технологии основного органического синтеза

119571, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 86

Student, Chair of Chemistry and Technology of General Organic Synthesis

86, Vernadskogo Pr., Moscow, 119571, Russia

noemail@neicon.ruАкишинА. Ю.AkishinA. Yu.

аспирант кафедры химии и технологии основного органического синтеза

119571, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 86

Postgraduate Student, Chair of Chemistry and Technology of General Organic Synthesis

86, Vernadskogo Pr., Moscow, 119571, Russia

noemail@neicon.ruТимошенкоА. В.TimoshenkoА. V.

доктор технических наук, профессор кафедры химии и технологии основного органического синтеза

119571, Россия, Москва, пр-т Вернадского, д. 86

Dr.Sc. (Engineering), Professor, Chair of Chemistry and Technology of General Organic Synthesi

86, Vernadskogo Pr., Moscow, 119571, Russia

noemail@neicon.ruМосковский технологический университет (Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова)РоссияMoscow Technological University (M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies)Russian Federation2017281020171253446Copyright © Anokhina E.А., Gracheva I.M., Akishin A.Y., Timoshenko А.V., 20172017Анохина Е.А., Грачева И.М., Акишин А.Ю., Тимошенко А.В.Anokhina E.А., Gracheva I.M., Akishin A.Y., Timoshenko А.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/114

Extractive distillation of acetone-chloroform-n-butanol mixture with dimethylformamide in two-outlet column schemes is considered. Optimal parameters according to the total energy consumption criterion in the column boilers of the three extractive distillation schemes for this mixture separation are determined. Calculations were carried out in a design-verification version at 1000 kg/hr of the initial mixture with the concentrations of acetone, chloroform and n-butanol 71.3, 14.7 and 14.0% wt., respectively. Dimethylformamide concentration in the entrainer flow was set to 99.99 wt%. The main component concentration in the product stream was 99.9 wt% for chloroform and 99.5 wt%. for acetone and n-butanol. The parameters to be optimized were: the number of plates in the columns, the temperature and flow rate of dimethylformamide, reflux ratios, distillate flow rates and the position of the feed plates in the columns. The optimum location of the entrainer feed plate was found additionally in the extractive distillation column. Separation product concentrations served as the constraints of the optimization. The optimization was carried out in Aspen Plus with the use of a combination of Sensitivity Analysis and sequential quadratic programming (SQP). It is established that scheme P5 has the lowest energy consumption. In the first column of this scheme, n-butanol is separated, and then the azeotrope-forming components (acetone and chloroform) are separated by the extractive distillation subsystem. Energy consumptions for two other schemes (P1 and P2), in which dimethylformamide is used in the first column of the sequence, are significantly higher than for scheme P5 - by 69.1% and by 49.3%, respectively. The data obtained will be used: to synthesize and optimize the extractive distillation schemes including the subsystems with coupled thermal and material flows to separate the acetone-chloroform-n-butanol mixture; to estimate the energy efficiency of those schemes and to obtain the criterion for estimating the energy efficiency of systems with coupled thermal and material flows in the extractive distillation of multicomponent mixtures.

Рассмотрена экстрактивная ректификация смеси ацетон-хлороформ-н-бутанол с диметилформамидом в схемах из двухотборных колонн. Определены оптимальные по критерию суммарных энергетических затрат в кипятильниках колонн параметры трех схем экстрактивной ректификации данной смеси. Расчеты проводились в проектно-поверочном варианте на 1000 кг/ч исходной смеси с концентрацией ацетона, хлороформа и н-бутанола 71.3, 14.7 и 14.0% масс., соответственно. Концентрацию диметилформамида в потоке экстрактивного агента задавали равной 99.99% масс. Концентрация основного компонента в продуктовых потоках составляла 99.9% масс. для хлороформа и 99.5% масс. для ацетона и н-бутанола. Оптимизируемыми параметрами являлись: число тарелок в колоннах, температура и расход диметилформамида, флегмовые числа, потоки дистиллята и положение тарелок питания в колоннах. Для колонны экстрактивной ректификации дополнительно находили оптимальный уровень ввода экстрактивного агента. Ограничения на оптимизацию - качество продуктов разделения. Оптимизация проводилась в Aspen Plus с применением сочетания методов Sensitivity Analysis и последовательного квадратичного программирования (SQP). Установлено, что наименее энергоемким вариантом разделения является схема П5, в первой колонне которой осуществляется отделение н-бутанола, а азеотропообразующие компоненты (ацетон и хлороформ) затем разделяются в комплексе экстрактивной ректификации. Для двух других схем (П1 и П2), в которых диметилформамид применяется в первой по ходу разделения колонне, энергозатраты существенно выше, чем для схемы П5 - на 69.1% и на 49.3%, соответственно. Полученные данные в дальнейшем будут использованы для синтеза и оптимизации схем экстрактивной ректификации данной смеси, включающих комплексы со связанными тепловыми и материальными потоками, а также для оценки энергетической эффективности применения последних для разделения смеси ацетон-хлороформ-н-бутанол и получения критерия оценки энергетической эффективности использования комплексов со связанными тепловыми и материальными потоками в технологиях экстрактивной ректификации многокомпонентных смесей.

ректификациятройные смесифлегмовое числоминимальный паровой потоквнутреннее энергосбережение при ректификацииenergy savingextractive distillationschemes of two-outlet columnsoptimizationReferencesТимошенко А.В., Анохина Е.А., Тимофеев В.С. Способ разделения смеси ацетон-хлороформ азеотропного состава экстрактивной ректификацией: пат. 2207896 Российская Федерация. № 2002107039; заявл. 21.03.2002; опубл.10.07.2003, Бюл. № 19. 4 с.Timoshenko A.V., Anokhina E.A., Timofeev V.S. A way for separation of the acetone–chloroform azeotropic composition mixture by extractive distillation: Patent 2207896 Russian Federation. № 2002107039; appl. 21.03.2002; publ.10.07.2003. (in Russ.).Lei Z.G., Zhou R.Q., Duan Z.T. Process improvement on separating C4 by extractive distillation // Chem. Eng. J. 2002. V. 85. P. 379-386.Lei Z.G., Zhou R.Q., Duan Z.T. Process improvement on separating C4 by extractive distillation // Chem. Eng. J. 2002. V.85. P. 379–386.Hernández S. Analysis of energy-efficient complex distillation options to purify bioethanol // Chem. Eng. Technol. 2008. V.31. № 4. P. 597-603.Hernández S. Analysis of energy-efficient complex distillation options to purify bioethanol // Chem. Eng. Technol. 2008. V. 31. № 4. P. 597–603.Timoshenko A.V., Anokhina E.A., Ivanova L.V. Extractive distillation systems involving complex columns with partially coupled heat and material flows // Theor. Found. Chem. Eng. 2005. V. 39. № 5. P. 463-470.Timoshenko A.V., Anokhina E.A., Ivanova L.V. Extractive distillation systems involving complex columns with partially coupled heat and material flows // Theor. Found. Chem. Eng. 2005. V. 39. № 5. P. 463–470.Timoshenko A.V., Morgunov A.V., Anokhina E.A. Flowsheet synthesis for the extractive distillation of azeotropic mixtures in systems consisting of columns with partially coupled heat and material flows // Theor. Found. Chem. Eng. 2007. V. 41. № 6. P. 845-850.Timoshenko A.V., Morgunov A.V., Anokhina E.A. Flowsheet synthesis for the extractive distillation of azeotropic mixtures in systems consisting of columns with partially coupled heat and material flows // Theor. Found. Chem. Eng. 2007. V. 41. № 6. P. 845–850.Анохина Е.А., Долматов Б.Б., Тимошенко А.В. Энергетическая эффективность экстрактивной ректификации смеси ацетон-хлоpофоpм в сложной колонне с боковой секцией // Хим. технология. 2008. № 8. С. 402-407.Anokhina E.A., Dolmatov B.B., Timoshenko A.V. The energy efficiency of the extractive distillation acetone–chloroform mixture in a complex column with a side section // Khimicheskaya technologiya (Chemical Engineering). 2008. V. 9. № 8. P. 402–407. (in Russ.).Анохина Е.А., Панкова И.А., Тимошенко А.В. Исследование эффективности применения сложных колонн с боковой укрепляющей секцией для экстрактивной ректификации смеси ацетон-метанол различного исходного состава // Хим. пром. сегодня. 2009. № 3. С. 44-49.Anokhina E.A., Pankova I.A., Timoshenko A.V. Study on effectiveness of complex columns with side section for extractive distillation of acetone–methanol mixtures with different composition // Khimicheskaya promyshlennost' segodnya (Chemical Industry Today). 2009. №. 3. P. 44–49. (in Russ.).Анохина Е.А., Рудаков Д. Г. Тимошенко А.В. Энергетическая эффективность экстрактивной ректификации смеси изобутиловый спирт - изобутилацетат в зависимости от состава питания // Хим. технология. 2010. № 9. С. 549-556.Anokhina E.A., Rudakov D.G., Timoshenko A.V. Energy efficiency of the extractive distillation of the isobutyl alcohol–isobutyl acetate mixture depending on the feed composition// Khimicheskaya technologiya (Chemical Engineering). 2010. V. 11. № 9. P. 549–556. (in Russ.).Анохина Е.А., Шлейникова Е.Л., Тимошенко А.В. Энергоэффективность комплексов с частично связанными тепловыми и материальными потоками в экстрактивной ректификации смеси метилацетатхлороформ в зависимости от применяемого экстрактивного агента // Вестник МИТХТ. 2013. Т. 8. № 2. С. 18-25.Anokhina E.A., Shleynikova E.L., Timoshenko A.V. Energy efficiency of complexes with partially coupled thermally and material flows for extractive distillation of methyl acetate – chloroform mixture depending on entrainer // Vestnik MITHT (Fine Chemical Technologies). 2013. V. 8. № 2. P. 18–25. (in Russ.).Anokhina E.A., Timoshenko A.V. Criterion of the energy effectiveness of extractive distillation in the partially thermally coupled columns // Chem. Eng. Res. Des. 2015. V. 99. P. 165-175.Anokhina E.A., Timoshenko A.V. Criterion of the energy effectiveness of extractive distillation in the partially thermally coupled columns // Chem. Eng. Res. Des. 2015. V. 99. P. 165–175.Ivanova L.V., Prokhorenkova N.M., Surkova E.A., Morgunov A.V., Timoshenko A.V., Timofeev V.S. Energy-saving technologies of autoextractive distillation of an acetone - chloroform - n-butanol - dimethylformamide mixture // Theor. Found. Chem. Eng. 2006. V. 40. № 6. P. 580-586.Ivanova L.V., Prokhorenkova N.M., Surkova E.A., Morgunov A.V., Timoshenko A.V., Timofeev V.S. Energy-saving technologies of autoextractive distillation of an acetone – chloroform – n-butanol – dimethylformamide mixture // Theor. Found. Chem. Eng. 2006. V. 40. № 6. P. 580–586.Анохина Е.А., Тимошенко А.В., Ребровская А.Е. Энергосберегающие схемы экстрактивной ректификации смеси бензол-циклогексан-толуол с N-метилпирролидоном. Часть 2. Схемы, включающие комплексы с частично связанными тепловыми и материальными потоками // Хим. пром. сегодня. 2015. № 3. С. 46-57.Anokhina E.A., Timoshenko A.V., Rebrovskaya A.E. Energy-saving schemes of benzene–cyclohexane–toluene mixture extractive distillation with N-methylpyrrolidone. Part 2. Schemes including systemsTimoshenko A.V., Anokhina E.А., Morgunov А.V., Rudakov D.G. Application of the partially thermally coupled distillation flowsheets for the extractive distillation of ternary azeotropic mixtures // Chem. Eng. Res. Des. 2015. V. 104. P. 139-155.with partially coupled thermal and material flows // Khimicheskaya promyshlennost' segodnya (Chemical Industry Today). 2015. № 3. P. 46–57. (in Russ.).Пирог Л.А. Оценка эффективности агентов при разделении неидеальных смесей экстрактивной ректификацией: дисс. … канд. техн. наук. М.: МИТХТ, 1987. 204 с.Timoshenko A.V., Anokhina E.А., Morgunov А.V., Rudakov D.G. Application of the partially thermally coupled distillation flowsheets for the extractive distillation of ternary azeotropic mixtures // Chem. Eng. Res. Des. 2015. V. 104. P. 139–155.Serafimov L.A. Thermodynamic and topological analysis of heterogeneous equilibrium diagrams of multicomponent mixtures // Rus. J. Phys. Chem. 2002. V. 76. № 8. P. 1211-1224.Pirog L.A. Evaluation of the entrainer effectiveness in the separation of non-ideal mixtures by extractive distillation: diss. … Ph.D. (Engineering). Moscow, 1987. 204 p. (in Russ.).Бенюнес Х. Закономерности разделения азеотропных смесей в присутствии селективных разделяющих агентов: дисс. … канд. техн. наук. М.: МИТХТ, 2002. 185 с.Serafimov L.A. Thermodynamic and topological analysis of heterogeneous equilibrium diagrams of multicomponent mixtures // Rus. J. Phys. Chem. 2002. V. 76. № 8. P. 1211–1224.Segura H., Mejia A., Reich R., Wisniak J., Loras S. Isobaric vapor-liquid equilibria and densities for the binary systems oxolane + ethyl 1,1-dimethylethyl ether, oxolane + 2-propanol and propan-2-one + trichloromethane // Phys. Chem. Liq. 2003. V. 41. № 3. P. 283-301.Benyounes H. Regularities of azeotropic mixtures separation in the presence of selective entrainers: diss. …Ph.D. (Engineering). Moscow, 2002. 185 p. (in Russ.).Michalski H., Michalowski S., Serwinski M., Strumillo C. Vapor-liquid equilibria for system acetone - n-butanol // Zesz. Nauk. Politechn. Lodzk., Chem. 1961. № 36. P. 73-84.Segura H., Mejia A., Reich R., Wisniak J., Loras S. Isobaric vapor–liquid equilibria and densities for the binary systems oxolane + ethyl 1,1-dimethylethyl ether, oxolane + 2-propanol and propan-2-one + trichloromethane // Phys. Chem. Liq. 2003. V. 41. № 3. P. 283–301.Мишенева И.Н., Смирнова В.В., Сараев Б.А., Павлов С.Ю. Равновесие жидкость-пар в системах кетоны-диметилформамид // Пром. cинт. каучука. 1980. № 11. С. 2-3.Michalski H., Michalowski S., Serwinski M., Strumillo C. Vapor–liquid equilibria for system acetone – n-butanol // Zesz. Nauk. Politechn. Lodzk., Chem. 1961. № 36. P. 73–84.Subba Rao V.B., Venkata Rao C. Isopiestic binary vapor-liquid equilibria system chloroform (1)-n-butanol (2) // Chem. Eng. Sci. 1962. V.17. №7. P. 574-576.Misheneva I.N., Smirnova V.V., Saraev B.A., Pavlov S.Yu. Vapor–liquid equilibrium in ketone–dimethylformamide systems // Promyshlennost’ sinteticheskogo kauchuka (Synthetic Rubber Industry). 1980. № 11. P. 2–3. (in Russ.).Ivanova L.V., Timoshenko A.V., Timofeev V.S. Synthesis of flowsheets for extractive distillation of azeotropic mixtures // Theor. Found. Chem. Eng. 2005. V. 3. № 1. P. 16-23.Subba Rao V.B., Venkata Rao C. Isopiestic binary vapor–liquid equilibria system chloroform (1)–n-butanol (2) // Chem. Eng. Sci. 1962. V.17. №7. P. 574–576.Arifin S., Chein I.-L. Design and control of an isopropyl alcohol dehydration process via extractive distillation using dimethtyl sulfoxide as an entrainer // Ind. Eng. Chem. Res. 2008. V. 47. №. 3. P. 790-803.Ivanova L.V., Timoshenko A.V., Timofeev V.S. Synthesis of flowsheets for extractive distillation of azeotropic mixtures // Theor. Found. Chem. Eng. 2005. V. 3. № 1. P. 16–23.Wang S.-J., Huang H.-P., Yu Ch.-Ch. Plantwide design of transesterification reactive disstillation to cogenerate ethyl acetate and n-butanol // Ind. Eng. Chem. Res. 2010. V. 49. P. 750-760.Arifin S., Chein I.-L. Design and control of an isopropyl alcohol dehydration process via extractive distillation using dimethtyl sulfoxide as an entrainer // Ind. Eng. Chem. Res. 2008. V. 47. №. 3. P. 790–803.Emhamed A.M., Czuczai B., Rev E., Lelkes Z. Analysis of extractive distillation with mathematical programming // Ind. Eng. Chem. Res. 2008. V. 47. P. 9983-9995.Wang S.-J., Huang H.-P., Yu Ch.-Ch. Plantwide design of transesterification reactive disstillation to cogenerate ethyl acetate and n-butanol // Ind. Eng. Chem. Res. 2010. V. 49. P. 750–760.Kossack S., Kraemer K., Gani R., Marquardt W. A systematic synthesis framework for extractive distillation processes // Chem. Eng. Res. Des. 2008. V. 86. P. 781-792.Emhamed A.M., Czuczai B., Rev E., Lelkes Z. Analysis of extractive distillation with mathematical programming // Ind. Eng. Chem. Res. 2008. V. 47. P. 9983–9995.Garcia-Herreros P., Gomez J.M., Gil I.D., Rodrigues G. Optimization of the design and operation of an extractive distillation system for the production of fuel grade ethanol using glycerol as entrainer // Ind. Eng. Chem. Res. 2011. V. 50. P. 3977-3985.Kossack S., Kraemer K., Gani R., Marquardt W. A systematic synthesis framework for extractive distillation processes // Chem. Eng. Res. Des. 2008. V. 86. P. 781–792.Кафаров В.В., Ветохин В.Н., Бояринов А.И. Программирование и вычислительные методы в химии и химической технологии. М.: Наука, 1972. 488 c.Garcia-Herreros P., Gomez J.M., Gil I.D., Rodrigues G. Optimization of the design and operation of an extractive distillation system for the production of fuel grade ethanol using glycerol as entrainer // Ind. Eng. Chem. Res. 2011. V. 50. P. 3977–3985.De Figueirêdo M.F., Guedes B.P., de Araújo J.M.M., Vasconcelos L.G.S., Romildo Pereira Brito R.P. Optimal design of extractive distillation columns - A systematic procedure using a process simulator // Chem. Eng. Res. Des. 2011. V. 89. P. 341-346.Kafarov V.V., Vetokhin V.N., Boyarinov A.I. Programming and computational methods in chemistry and chemical technology. Moscow: Nauka Publ., 1972. 488 p. (in Russ.).Kiss A.A., Suszwalak D. J.-P.C. Enhanced bioethanol dehydration by extractive and azeotropic distillation in dividing-wall columns // Sep. Purif. Tech. 2012. V. 86. P. 70-78.De Figueirêdo M.F., Guedes B.P., de Araújo J.M.M., Vasconcelos L.G.S., Romildo Pereira Brito R.P. Optimal design of extractive distillation columns – A systematic procedure using a process simulator // Chem. Eng. Res. Des. 2011. V. 89. P. 341–346.Kiss A.A., Ignat R.M. Innovative single step bioethanol dehydration in an extractive dividing-wall column // Sep. Purif. Tech. 2012. V. 98. P. 290-297.Kiss A.A., Suszwalak D. J.-P.C. Enhanced bioethanol dehydration by extractive and azeotropic distillation in dividing-wall columns // Sep. Purif. Tech. 2012. V. 86. P. 70–78.Островский Г.М., Волин Ю.М., Зиятдинов Н.Н. Методы оптимизации химико-технологических процессов: учебное пособие. М.: КДУ, 2008. 424 с.Kiss A.A., Ignat R.M. Innovative single step bioethanol dehydration in an extractive dividing-wall column // Sep. Purif. Tech. 2012. V. 98. P. 290–297.Ostrovskij G.M., Volin Yu.M., Ziyatdinov N.N. Methods of optimization of chemical-technological processes. Moscow: KDU Publ., 2008. 424 p. (in Russ.)Ostrovskij G.M., Volin Yu.M., Ziyatdinov N.N. Methods of optimization of chemical-technological processes. Moscow: KDU Publ., 2008. 424 p. (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.