chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2018-13-1-45-54chemicallytech-133Research ArticleTHEORETICAL BASIS OF CHEMICAL TECHNOLOGYТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИRESEARCH OF VARIOUS ISO-MANIFOLDS IN FOUR COMPONENT SYSTEMS CONTAINING BIAZEOTROPIC BINARY CONSTITUENTSИССЛЕДОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ИЗОМНОГООБРАЗИЙ В ЧЕТЫРЕХКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМАХ, СОДЕРЖАЩИХ БИАЗЕОТРОПНЫЕ БИНАРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕБедретдиновФ. Н.BedretdinovF. N.

инженер 1 категории кафедры химии и технологии основного органического синтеза

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

Engineer of the 1st category, Chair of Chemistry and Technology of Basic Organic Synthesis

86, Vernadskogo Pr., Moscow 119571, Russia

noemail@neicon.ruЧелюскинаТ. В.ChelyuskinaT. V.

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

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

Dr.Sc. (Eng.), Professor, Chair of Chemistry and Technology of Basic Organic Synthesis

86, Vernadskogo Pr., Moscow 119571, Russia

cheluskina@mitht.ruМосковский технологический университет (Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова)РоссияMoscow Technological University (M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies)Russian Federation2018280220181314554Copyright © Bedretdinov F.N., Chelyuskina T.V., 20182018Бедретдинов Ф.Н., Челюскина Т.В.Bedretdinov F.N., Chelyuskina T.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/133

In the present work, an analysis of the mutual arrangement of a number of iso-manifolds in the concentration tetrahedron formed by the components of the separated mixture and an additional substance, an extractive agent, was carried out to estimate the possibility of separating three-component mixtures containing biazeotropic constituents by extractive rectification. The objects of research were four-component systems formed by ternary constituents (butyl propionate (BP) - propionic acid (PA) - butyl butyrate (BB), butyl propionate - propionic acid - butyric acid (BA), butyl butyrate - butyric acid -butyl propionate, butyl butyrate - butyric acid -propionic acid) of the commercially important BP-PA-BB-BA system, and the extractive agent sulfolane. Using the results of the computational experiment based on mathematical model NRTL-HOC we obtained complete data on the vapor-liquid equilibrium in binary, three- and four-component systems. The structures of liquid-vapor phase diagrams were obtained, and thermodynamic-topological analysis of all four-component systems was carried out. The mutual arrangement in the concentration tetrahedron of manifolds of relative volatility (equal to 1) of the components, reflecting the evolution of pseudo-azeotropes in sections with a constant concentration of the extractive agent; pseudo-ideal manifolds along which the activity coefficients of the components of the base (separated) mixture are equal to each other; isothermo-isobaric manifolds generated by Bancroft points in binary azeotropic constituents were determined. We established that it is possible to separate the studied three-component mixtures by extractive rectification using sulfolane.

В данной работе для оценки возможности разделения экстрактивной ректификацией трехкомпонентных смесей, содержащих биазеотропные составляющие, проведен анализ взаимного расположения ряда изомногообразий в концентрационных тетраэдрах, образованных компонентами разделяемой смеси и дополнительным веществом - экстрактивным агентом. Объектами исследования выступают четырехкомпонентные системы, образованные тройными составляющими (бутилпропионат (БП) - пропионовая кислота (ПК) - бутилбутират (ББ); бутилпропионат - пропионовая кислота - масляная кислота (МК); бутилбутират - масляная кислота - бутилпропионат; бутилбутират - масляная кислота - пропионовая кислота) системы БП-ПК-ББ-МК, имеющей промышленное значение, и экстрактивным агентом сульфоланом. В результате проведения вычислительного эксперимента с использованием математической модели NRTL-HOC получены данные о парожидкостном равновесии в бинарных, трех- и четырехкомпонентных системах, а также структуры фазовых диаграмм жидкость-пар и проведен термодинамико-топологический анализ фазовых диаграмм четырехкомпонентных систем. Определено взаимное расположение в концентрационных тетраэдрах многообразий единичной относительной летучести компонентов, отражающих эволюцию псевдоазеотропов в сечениях с постоянной концентрацией экстрактивного агента; псевдоидеальных многообразий, вдоль которых коэффициенты активности компонентов базовой (разделяемой) смеси равны друг другу; изотермо-изобарических многообразий, порождаемых точками Банктрофта в бинарных азеотропных составляющих. Установлено, что существует возможность разделения исследуемых трехкомпонентных смесей экстрактивной ректификацией с использованием сульфолана.

четырехкомпонентные системыизомногообразиябиазеотропные составляющиетермодинамико-топологический анализотносительная летучестьпсевдоидеальные точкиточка Банкрофтаfour-component systemsiso-manifoldsbiazeotropic constituentsthermodynamictopological analysisrelative volatilitypseudoideal pointsBancroft pointReferencesSerafimov L.A., Frolkova A.K., Bushina D.I. Extractive distillation of binary azeotropic mixtures // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2008. V. 42. № 5. P. 507-516.Serafimov L.A., Frolkova A.K., Bushina D.I. Extractive distillation of binary azeotropic mixtures // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2008. V. 42. № 5. P. 507–516.Serafimov L.A., Frolkova A.K., Chelyuskina T.V. Selecting extracting agents for separation of biazeotropic binary mixtures by extractive distillation // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2009. V. 43. № 6. P. 889-898.Serafimov L.A., Frolkova A.K., Chelyuskina T.V. Selecting extracting agents for separation of biazeotropic binary mixtures by extractive distillation // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2009. V. 43. № 6. P. 889–898.Жаров В.Т., Серафимов Л.А. Физико-химические основы дистилляции и ректификации. Л.: Химия, 1975. 240 с.Zharov V.T., Serafimov L.A. Physicochemical foundations of distillation and fractionation. Leningrad: Khimiya Publ., 1975. 240 p. (in Russ.).Фролкова А.К. Разделение азеотропных смесей. Физико-химические основы и технологические приемы. М.: Гуманитар. изд. центр «Владос», 2010. 192 с.Frolkova A.K. Separation of Azeotropic Mixtures: Physicochemical foundations and techniques. Moscow: VLADOS Publ., 2010. 192 p. (in Russ.).Никитский А.В., Кушнер Т.М., Серафимов Л.А. Диаграммы избыточного термодинамического потенциала Гиббса в тройных смесях // Журнал физ. химии. 1998. Т. 72. № 12. С. 2138-2143.Nikitskii A.V., Kushner T.M., Serafimov L.A. Diagrams of excess Gibbs thermodynamic potential in ternary systems // Zhurnal fizicheskoi khimii (Russian Journal of Physical Chemistry). 1998. V. 72. № 12. P. 2138–2143. (in Russ).Шутова Г.В. Физико-химические закономерности биазеотропии в бинарных системах : дис. ... канд. хим. наук. М.: МИТХТ, 1992. 193 с.Shutova G.V. Physicochemical regularities of biazeotropy in binary systems: Ph.D. (Chem.) dissertation. Moscow: Moscow Inst. of Fine Chem. Technol., 1992. 193 p. (in Russ.).Кушнер Т.М., Шутова Г.В., Раева В.М., Серафимов Л.А. Исследование биазеотропии в системе пропионовая кислота - бутилпропионат // Журн. физ. химии. 1992. Т. 66. № 3. С. 832-836.Kushner T.M., Shutova G.V., Raeva V.M., Serafimov L.A. Study of biazeotropy in a system of propionic-acid and butylpropionate // Zhurnal fizicheskoi khimii (Russian Journal of Physical Chemistry). 1992. V. 66. № 3. P. 832–836. (in Russ).Liu W.-T., Tan C.-S. Vapor-liquid equilibrium for propionic acid plus n-butyl propionate from 60 to 101.3 kPa // J. Chem. Eng. Data. 2002. V 47. № 6. P. 1367-1371.Liu W.-T., Tan C.-S. Vapor–liquid equilibrium for propionic acid plus n-butyl propionate from 60 to 101.3 kPa // J. Chem. Eng. Data. 2002. V 47. № 6. P. 1367–1371.Кушнер Т.М., Шутова Г.В., Раева В.М., Серафимов Л.А. Исследование биазеотропии в системе масляная кислота - бутилбутират // Журн. общей химии. 1993. Т. 63. № 1. С. 171-176.Kushner T.M., Shutova G.V., Raeva V.M., Serafimov L.A. Study of biazeotropy in a system of butyric-acid and butylbutyrate // Zhurnal obschei khimii (Russian Journal of General Chemistry). 1993. V. 63. № 1. P. 171–176. (in Russ).Гайле А.А., Сомов В.Е. Сульфолан: свойства и применение в качестве селективного растворителя. СПб.: Химиздат, 2014. 392 с.Gaile A.A., Somov V.E. Sulfolane: Properties and application as a selective solvent. St. Petersburg: Khimizdat Publ., 2014. 392 p. (in Russ.).Chelyuskina T.V., Bedretdinov F.N., Pronina D.S. Studying the structure of the vapor-liquid equilibrium diagram of the butyl propionate-propionic acid-butyl butyrate-butyric acid system // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2016. V. 50. № 6. P. 1043-1048.Chelyuskina T.V., Bedretdinov F.N., Pronina D.S. Studying the structure of the vapor–liquid equilibrium diagram of the butyl propionate–propionic acid–butyl butyrate–butyric acid system // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2016. V. 50. № 6. P. 1043–1048.Bedretdinov F., Chelyuskina T., Frolkova A. Modeling of vapor-liquid equilibrium and extractive rectification of butyl-propionate - propionic acid mixture // 10th Int. Conf. on Distillation and Absorption 2014, 14-17 September 2014, Friedrichshafen, Germany. Book of Full Papers. P. 928-933.Bedretdinov F., Chelyuskina T., Frolkova A. Modeling of vapor–liquid equilibrium and extractive rectification of butyl-propionate – propionic acid mixture // 10th Int. Conf. on Distillation and Absorption 2014, 14–17 September 2014, Friedrichshafen, Germany. Book of Full Papers. P. 928–933.Chelyuskina T.V., Bedretdinov F.N. Mathematical modeling of extractive rectification of a butyl butyrate-butyric acid mixture // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2016. V. 50. № 5. P. 697-704.Chelyuskina T.V., Bedretdinov F.N. Mathematical modeling of extractive rectification of a butyl butyrate–butyric acid mixture // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2016. V. 50. № 5. P. 697–704.Коган В.Б. Азеотропная и экстрактивная ректификация. Изд. 2-е, перераб. и доп. Л.: Химия, 1971. 432 с.Kogan V.B. Azeotropic and extractive distillation. 2nd ed. Leningrad: Khimiya Publ., 1971. 432 p. (in Russ.).Тимофеев В.С., Серафимов Л.А., Тимошенко А.В. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза: учебное пособие для вузов. Изд. 3-е, перераб. и доп. М.: Высшая школа, 2010. 408 с.Timofeev V.S., Serafimov L.A., Timoshenko A.V. Technological principles of basic organic and petrochemical synthesis. 3rd ed. Moscow: Vysshaya shkola Publ., 2010. 408 p. (in Russ.).Serafimov L.A., Chelyuskina T.V. Principles of classifying diagrams for different types of biazeotropic ternary mixtures // Rus. J. Phys. Chem. 2011. V. 85. № 5. P. 767-776.Serafimov L.A., Chelyuskina T.V. Principles of classifying diagrams for different types of biazeotropic ternary mixtures // Rus. J. Phys. Chem. 2011. V. 85. № 5. P. 767–776.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.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.Kushner T.M., Shutova G.V., Serafimov L.A. Pseudoideal points of vapor-liquid equilibrium diagrams and the role that they play in the evolution of binary azeotropes under temperature (pressure) variations // Rus. J. Phys. Chem. 2001. V. 75. № 7. P. 1079-1083.Kushner T.M., Shutova G.V., Serafimov L.A. Pseudoideal points of vapor–liquid equilibrium diagrams and the role that they play in the evolution of binary azeotropes under temperature (pressure) variations // Rus. J. Phys. Chem. 2001. V. 75. № 7. P. 1079–1083.Челюскина Т.В. Теоретические основы ректификационного разделения биазеотропных смесей : дис. … д-ра техн. наук. М.: МИТХТ, 2011. 196 с.Chelyuskina T.V. Theoretical foundations of the distillation of biazeotropic mixtures : Dr.Sc. (Eng.) dissertation. Moscow: Moscow Inst. of Fine Chem. Technol., 2011. 196 p. (in Russ.).

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