chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/24106593-2018-13-3-41-48chemicallytech-150Research ArticleTHEORETICAL BASIS OF CHEMICAL TECHNOLOGYТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИSHARP DISTILLATION FOR QUATERNARY SYSTEMSПРОМЕЖУТОЧНОЕ ЗАДАННОЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ПРИ РЕКТИФИКАЦИИ ЧЕТЫРЕХКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙhttps://orcid.org/0000-0001-5675-5777ФролковаА. В.FrolkovaA. V.

к.т.н., доцент, кафедра химии и технологии основного органического синтеза

119571, Россия, Москва, пр. Вернадского, 86

Researcher ID N-4517-2014

Ph.D. (Eng.), Associate Professor, Chair of Chemistry and Technology of Basic Organic Synthesis

86, Vernadskogo Pr., Moscow 119571, Russia

Researcher ID N-4517-2014

frolkova_nastya@mail.ruПешехонцеваМ. С.PeshekhontsevaM. S.

студентка, кафедра химии и технологии основного органического синтеза

119571, Россия, Москва, пр. Вернадского, 86

Student, Chair of Chemistry and Technology of Basic Organic Synthesis

86, Vernadskogo Pr., Moscow 119571, Russia

noemail@neicon.ruГагановИ. С.GaganovI. S.

студент, кафедра химии и технологии основного органического синтеза

119571, Россия, Москва, пр. Вернадского, 86

Student, Chair of Chemistry and Technology of Basic Organic Synthesis

86, Vernadskogo Pr., Moscow 119571, Russia

noemail@neicon.ruМИРЭА - Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова)РоссияMIREA - Russian Technological University (M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies)Russian Federation2018280620181334148Copyright © Frolkova A.V., Peshekhontseva M.S., Gaganov I.S., 20182018Фролкова А.В., Пешехонцева М.С., Гаганов И.С.Frolkova A.V., Peshekhontseva M.S., Gaganov I.S.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/150

Conditions of sharp distillation were considered for zeotropic quaternary system (two pairs of components are characterized by relative volatility close to 1) and systems with one (with minimum or maximum boiling point) and two (with minimum and maximum boiling point) binary azeotropes. Regions of compositions for which sharp distillation is effective (distillate and bottom flows don't contain common components) were determined on the basis of analyzing diagrams of unit manifolds of distribution coefficients (distribution coefficients of two components are higher than one, and those of another two components - lower than one). This kind of separation can be recommended if it doesn’t cause an increase in the number of apparatuses in the separation flowsheet. If the system contains azeotropes of saddle type that can generate separatric manifolds, the possibility and expedience of sharp separation decreases. The conclusions were confirmed by simulation of the distillation process in AspenPlus V.10.0 for real and industrially important quaternary systems: ethyl acetate - benzene - toluene - butyl acetate; acetone - methanol - ethanol - propanol-2; methyl acetate - methanol - acetic acid - acetic anhydride and cyclohexene - cyclohexane - cyclohexanone - phenol. Mathematical modeling was carried out using local compositions models Wilson and NRTL-HOC. The relative error of vapor-liquid equilibrium description is less than 4%. The vapor-liquid equilibrium was simulated, a phase diagram was constructed and analyzed, the parameters of sharp distillation column operation (the number of stages, the feed-stage and reflux ratio) were determined for all systems. The effectiveness of using sharp distillation for the system with phenol was confirmed for a wide range of compositions.

Определены условия реализации промежуточного заданного разделения для четырехкомпонентных зеотропных систем (две пары компонентов характеризуются относительной летучестью компонентов, близкой к единице) и систем с одним (положительным или отрицательным) и двумя (положительным и отрицательным) бинарными азеотропами. На основе анализа диаграмм единичных многообразий коэффициентов распределения компонентов выделены области составов, для которых эффективно использование промежуточного (дистиллят и куб не содержат общих компонентов) разделения (коэффициенты распределения двух компонентов больше единицы, двух других - меньше единицы). Данное разделение рекомендуется, если оно не приводит к увеличению числа аппаратов в схеме. Если в системе присутствуют азеотропы седловидного типа, порождающие сепаратрические многообразия, возможность и целесообразность применения промежуточного заданного разделения резко сокращается. Полученные выводы подтверждены в ходе вычислительного эксперимента с использованием программного комплекса AspenPlus V.10.0 на примере реальных и промышленных систем этилацетат - бензол - толуол - бутилацетат, ацетон - метанол - этанол - пропанол-2, метилацетат - метанол - уксусная кислота - уксусный ангидрид и циклогексен - циклогексан - циклогексанон - фенол. Моделирование проводилось с использованием моделей локальных составов Wilson и NRTL-HOC. Относительная ошибка описания парожидкостного равновесия не превышала 3%. Для всех систем проведен расчет парожидкостного равновесия, построены и проанализированы диаграммы фазового равновесия, определены параметры работы ректификационной колонны (число теоретических тарелок, тарелка питания, флегмовое число), работающей в режиме промежуточного разделения смесей заданного состава. Для системы с фенолом подтверждена эффективность применения промежуточного разделения в широком диапазоне концентраций.

ректификацияпромежуточное разделениеравновесие жидкость-паразеотропотносительная летучесть компонентовdistillationsharp separationvapor-liquid equilibriumazeotroperelative volatilityReferencesЖаров В.Т., Серафимов Л.А. Физико-химические основы дистилляции и ректификации. Л.: Химия, 1975. 240 с.Zharov V.T., Serafimov L.A. Phisico-chemical basis of distillation and rectification. Leningrad: Khimiya Publ., 1975. 240 р. (in Russ.)Тимофеев В.С., Серафимов Л.А., Тимошенко А.В. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза. М.: Высшая школа, 2010. 408 с.Timofeev V.S., Serafimov L.A., Timoshenko V.S. Principles of technology of basic organic and petrochemical synthesis. Moscow: Visshaya shkola Publ., 2010. 408 p. (in Russ.)Serafimov L.A., Chelyuskina T.V., Mavletkulova P.O. Special regimes of multicomponent distillation and their importance for chemical engineering // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2013. V. 47. № 4. P. 306-314.Serafimov L.A., Chelyuskina T.V., Mavletkulova P.O. Special regimes of multicomponent distillation and their importance for chemical engineering. Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2013; 47(4): 306-314.Serafimov L.A., Chelyuskina T.V., Mavletkulova P.O. Finding optimal multicomponent distillation flowsheets // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2015. V. 49. № 1. P. 41-49.Serafimov L.A., Chelyuskina T.V., Mavletkulova P.O. Finding optimal multicomponent distillation flowsheets. Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2015; 49(1): 41-49.Serafimov L.A., Frolkova A.V., Chelyuskina T.V. Konovalov's first law validity for nonideal multicomponent zeotropic mixtures // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2008. V. 42. № 1. P. 37-44.Serafimov L.A., Frolkova A.V., Chelyuskina T.V. Konovalov's first law validity for nonideal multicomponent zeotropic mixtures. Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2008; 42(1): 37-44.Серафимов Л.А., Фролкова А.В. Соблюдение первого закона Коновалова в процессах открытого равновесного испарения и ректификации // Вестник МИТХТ. 2008. Т. 3. № 2. C. 46-52.Serafimov L.A., Frolkova A.V. Observance of Konovalov's first law in distillation and rectification processes. Vestnik MITHT (Fine Chemical Technologies). 2008; 3(2): 46-52. (in Russ.)Pettit J.H. Minimum boiling points and vapor compositions // J. Phys. Chem. 1989. V. 3. P. 349-363.Pettit J.H. Minimum boiling points and vapor compositions. J. Phys. Chem. 1989; 3: 349-363.Iliuta M.C., Thyrion F.C., Landauer O.M. Salt effect on the isobaric vapor-liquid equilibrium of the methyl acetate + methanol system // J. Chem. Eng. Data. 1996. V. 41. P. 713-717.Iliuta M.C., Thyrion F.C., Landauer O.M. Salt effect on the isobaric vapor-liquid equilibrium of the methyl acetate + methanol system. J. Chem. Eng. Data. 1996; 41: 713-717.Aarna A., Kaps T. Vapor-liquid isobaric equilibrium in phenol + oxygen compound binary mixtures // Eesti NSV Tead. Akad. Toim., Keem., Geol., 1974. V. 23. P. 16-21.Aarna A., Kaps T. Vapor-liquid isobaric equilibrium in phenol + oxygen compound binary mixtures. Eesti NSV Tead. Akad. Toim., Keem., Geol. 1974; 23: 16-21.Огородников С.К., Лестева Т.М., Коган В.Б. Азеотропные смеси. Справочник под ред. проф. В.Б. Когана. Л.: Химия, 1971. 1407 с.Ogorodnikov S.K., Lesteva T.M., Kogan V.B. Azeotropic mixtures. Handbook. Under the editorship of prof. V.B. Kogan. Leningrad: Khimiya Publ., 1971. 1407 p. (in Russ.).Frolkova A.V., Shashkova Yu.I., Frolkova A.K. Separation of methylacetate + methanol + acetic acid + acetic anhydride system using distillation methods // Proceed. of the 45th Int. Conf. of SSCHE. May 21-25, 2018. Tatranske Matliare, Slovakia. P. 109-112.Frolkova A.V., Shashkova Yu.I., Frolkova A.K. Separation of methylacetate + methanol + acetic acid + acetic anhydride system using distillation methods. Proceed. of the 45th Int. Conf. of SSCHE. May 21–25, 2018. Tatranske Matliare, Slovakia. P. 109-112.Логачев Д.С., Махнарылова Е.Г., Фролкова А.В. Разделение четырехкомпонентной смеси метанол - метилацетат - этанол - пропанол-2 с использованием различных методов // Вестник образования и науки. 2017. № 5(29). С. 15-20.Logachev D.S., Makhnarylova E.G., Frolkova A.V. Separation of quaternary mixture methanol – methyl acetate – ethanol – propanol-2 by different methods. Vestnik obrazovaniya i nauki = Bulletin of Education and Science. 2017; 5(29): 15-20. (in Russ.)Chelyuskina T., Bedretdinov F., Pronina D. Mathematical modeling of vapor-liquid equilibrium of industrial mixture butyl propionate - propionic acid - butyl butyrate - butyric acid // Proceed. of the 43rd Int. Conf. of SSCHE. May 23-27, 2016. Tatranske Matliare, Slovakia. P. 129.Chelyuskina T., Bedretdinov F., Pronina D. Mathematical modeling of vapor-liquid equilibrium of industrial mixture butyl propionate – propionic acid – butyl butyrate – butyric acid. Proceed. of the 43rd Int. Conf. of SSCHE. May 23–27, 2016. Tatranske Matliare, Slovakia. P. 129.

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