chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2021-16-1-7-15chemicallytech-1682Research ArticleTHEORETICAL BASIS OF CHEMICAL TECHNOLOGYТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИLiquid mixtures separation and heat consumption in the process of distillationРазделение жидких смесей и затраты теплоты при ректификацииhttps://orcid.org/0000-0002-8595-5679ЗахаровМ. К.ZakharovM. K.

Захаров Михаил Константинович, профессор кафедры процессов и аппаратов химических технологий им. Н.И. Гельперина

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

Mikhail K. Zakharov, Dr. Sci. (Eng.), Professor, N.I. Gelperin Department of Processes and Apparatus of Chemical Technology

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571

mkzakharov@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-1313-8231ЕгоровА. В.EgorovA. V.

Егоров Александр Владимирович, аспирант кафедры процессов и аппаратов химических технологий им. Н.И. Гельперина

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

Alexandr V. Egorov, Postgraduate Student, N.I. Gelperin Department of Processes and Apparatus of Chemical Technology

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571

betakiller1576@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-7084-4661ПодметенныйА. А.PodmetennyA. A.

Подметенный Александр Александрович, аспирант кафедры процессов и аппаратов химических технологий им. Н.И. Гельперина

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

Alexandr A. Podmetenny, Postgraduate Student, N.I. Gelperin Department of Processes and apparatus of chemical technology

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571

sansanych08-94@yandex.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 Federation202117032021161715Copyright © Zakharov M.K., Egorov A.V., Podmetenny A.A., 20212021Захаров М.К., Егоров А.В., Подметенный А.А.Zakharov M.K., Egorov A.V., Podmetenny A.A.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/1682Objectives

Objectives. The aim of this study is to investigate different distillation modes of a binary ideal mixture and determine how various factors affect heat consumption in the column boilers. In addition, it intends to assess the difficulty of separating mixtures. Our research is based on analyzing the characteristics of vapor-liquid equilibrium.

Methods

Methods. To conduct our study, we used a graphic-analytical tool to calculate the distillation process of a binary mixture and mathematical models based on the Aspen Plus software package along with DSTWU, RadFrac, and the Sensitivity module. We also used the Peng-Robinson equation (PENG-ROB) to determine the liquid-vapor equilibrium.

Results

Results. We employed the graphical method and mathematical models to obtain the operation parameters of two column variants for the distillation of binary ideal benzene-toluene mixtures. In each variant the initial mixture contained the same amount of the low- and high-boiling component. The number of plates in the column sections, reflux ratio, energy consumption, and indicators of internal energy saving were determined.

Conclusions

Conclusions. Study results show that using the coefficient of the component distribution between the vapor and liquid phases is a promising method for preliminary assessments of the separation difficulty and measurements of the expected heat consumption in the boilers of columns. Comparison studies showed that the heat consumption in the boiler decreases as the internal energy saving in the columns increases.

Цели

Цели. Работа посвящена изучению различных режимов ректификации бинарной идеальной смеси и установлению влияния различных факторов на затраты теплоты в кипятильниках колонн, а также оценке трудности разделения смесей на основе анализа характеристик парожидкостного равновесия.

Методы

Методы. В качестве методов исследования выбран графоаналитический расчет процесса ректификации бинарной смеси и математическое моделирование с использованием программного комплекса Aspen Plus с последовательным применением методов DSTWU, RadFrac и модуля «Sensitivity». Равновесие жидкость-пар было определено по уравнению Пенга-Робинсона (PENG-ROB).

Результаты

Результаты. С использованием графического метода и метода математического моделирования получены параметры работы колонн двух вариантов ректификации бинарных идеальных смесей бензол–толуол, в каждом из которых исходная смесь содержит одинаковое количество низко(высоко)кипящего компонента. Определены числа тарелок в секциях колонны, флегмовые числа, энергозатраты и показатели внутреннего энергосбережения.

Выводы

Выводы. Анализ полученных результатов показывает перспективность использования коэффициента распределения компонентов между паровой и жидкой фазами для предварительной оценки трудности разделения и ожидаемых затрат теплоты в кипятильниках колонн. Сравнение рассмотренных вариантов показало, что при увеличении внутреннего энергосбережения в колоннах затраты теплоты в кипятильнике уменьшаются.

ректификациябинарные смесиотносительная летучестьфлегмовое числокоэффициент распределениявнутреннее энергосбережение при ректификацииdistillationbinary mixturesrelative volatilityreflux ratiodistribution coefficientinternal energy saving in distillationReferencesАйнштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г.А., Захаренко В.В., Зиновкина Т.В., Таран А.Л., Костанян А.Е. Процессы и аппараты химической технологии. Общий курс: Учебник в 2-х кн.; под ред. В.Г. Айнштейна, 8-е издание. СПб.: Лань; 2019. Кн. 1. 916 с. Кн. 2. 876 с. ISBN 978-5-8114-2975-2Ainshtein V.G., Zakharov M.K., Nosov G.A., Zakharenko V.V., Zinovkina T.V., Taran A.L., Kostanyan A.E. Protsessy i apparaty khimicheskoi tekhnologii. Obshchii kurs: Uchebnik v 2-kh kn. (Processes and Apparatus of Сhemical Technologies. General course: Textbook in 2 books), 8th edition, Ainshtein V.G. (Ed.), St. Petersburg: Lan’; V. 1, 916 p., V. 2., 876 p. (in Russ.). ISBN 978-5-8114-2975-2Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия; 1971. 784 с.Kasatkin A.G. Osnovnye protsessy i apparaty khimicheskoi tekhnologii (Basic Processes and Apparatus of Chemical Technology). Moscow: Khimiya; 1971. 784 p.Benedict M. Multistage separation processes. Chem. Eng. Prog. 1947;43(2):41–60.Benedict M. Multistage separation processes. Chem. Eng. Prog. 1947;43(2):41–60.Захаров М.К., Мартынова М.М., Прусаченкова М.И. Сравнение затрат теплоты при разделении бинарных смесей методами дистилляции и ректификации. Хим. технология. 2017;18(1):43–47.Zakharov M.K., Martynova M.M., Prusachenkova M.I. Comparison of heat consumption in the separation of binary mixtures using distillation and rectification. Theor. Found. Chem. Eng. 2018;52(4):730–734. https://doi.org/10.1134/S0040579518040322Kim Y.H. Design and control of energyefficient distillation columns. Korean J. Chem. Eng. 2016;33(9):2513–2521. https://doi.org/10.1007/s11814-016-0124-4Kim Y.H. Design and control of energyefficient distillation columns. Korean J. Chem. Eng. 2016;33(9):2513–2521. https://doi.org/10.1007/s11814-016-0124-4Halvorsen I.J., Skogestad S. Energy efficient distillation. J. Nat. Gas Sci. Eng. 2011;3(4):571–580. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2011.06.002Halvorsen I.J., Skogestad S. Energy efficient distillation. J. Nat. Gas Sci. Eng. 2011;3(4):571–580. https://doi.org/10.1016/j.jngse.2011.06.002Данилов Р.Ю., Петлюк Ф.Б., Серафимов Л.А. Режим минимальной флегмы в простых ректификационных колоннах. Теор. основы хим. технологии. 2007;41(4):394–406.Danilov R.Yu., Petlyuk F.B., Serafimov L.A. Minimum Reflux Regime of Simple Distillation Columns. Theor. Found. Chem. Eng. 2007;41(4):371–383. https://doi.org/10.1134/S0040579507040069Захаров М.К., Швец А.А., Бойчук А.А. Расчет минимального флегмового числа при ректификации некоторых реальных бинарных смесей. Тонкие химические технологии. 2015;10(6):53–57.Zakharov M.K., Shvets А.А., Boichuk А.А. Calculation of Minimal Reflux Ratio for Various Cases of Rectification of Binary Mixtures. Tonk. Khim. Tekhnol. = Fine Chem. Technol. 2015;10(6):53–57 (in Russ.).Koehler J., Poellmann P., Blass E. A Review on Minimum Energy Calculations for Ideal and Nonideal Distillations Model. Ind. Eng. Chem. Res. 1995;34(4):1003-1020. https://doi.org/10.1021/ie00043a001Koehler J., Poellmann P., Blass E. A Review on Minimum Energy Calculations for Ideal and Nonideal Distillations Model. Ind. Eng. Chem. Res. 1995;34(4):1003-1020. https://doi.org/10.1021/ie00043a001Wakabayashi T., Ferrari A., Hasebe S. Design and commercial operation of a discretely heat-integrated distillation column. Chem. Eng. Res. Des. 2019;147:214–221. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2019.04.036Wakabayashi T., Ferrari A., Hasebe S. Design and commercial operation of a discretely heat-integrated distillation column. Chem. Eng. Res. Des. 2019;147:214–221. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2019.04.036Fidkowski Z.T., Malone M.F. & Doherty M.F. Nonideal Multicomponent Distillation: Use of Bifurcation Theory for Design. AlChE J. 1991;37(12):1761–1779. https://doi.org/10.1002/aic.690371202Fidkowski Z.T., Malone M.F. & Doherty M.F. Nonideal Multicomponent Distillation: Use of Bifurcation Theory for Design. AlChE J. 1991;37(12):1761–1779. https://doi.org/10.1002/aic.690371202Stichlmair J.G., Offers H. & Potthoff R.W. Minimum Reflux and Reboil in Ternary Distillation. Ind. Eng. Chem. Res. 1993;32:2438–2445.Stichlmair J.G., Offers H. & Potthoff R.W. Minimum Reflux and Reboil in Ternary Distillation. Ind. Eng. Chem. Res. 1993;32:2438–2445.Petlyuk F.B. Distillation Theory and its Application to Optimal Design of Separation Units. New York: CUP; 2004. 362 p.Petlyuk F.B. Distillation Theory and its Application to Optimal Design of Separation Units. New York: CUP; 2004. 362 p.Александров И.А. Массопередача при ректификации и абсорбции многокомпонентных смесей. Л.: Химия; 1975. 320 с.Aleksandrov I.A. Massoperedacha pri rektifikatsii i absorbtsii mnogokomponentnykh smesei (Mass Transfer in Multicomponent Mixtures Distillation and Absorption). Leningrad: Khimiya; 1975. 320 p. (in Russ.).Савченко В.И., Гельперин Н.И. Метод расчета минимального флегмового числа в процессах ректификации многокомпонентных смесей. Теор. основы хим. технологии. 1973;7(2):160–169.Savchenko V.I., Gelperin N.I. Method of Calculation of Minimal Reflux Ratio in Processes of Distillation of Multicomponent Mixtures. Teor. osnovy khim. tekhnologii = Theor. Found. Chem. Eng. 1973;7(2):160–169 (in Russ.).Martín M.M. Introduction to Software for Chemical Engineers. 2nd edition. CRC Press; 2019. 802 p. https://doi.org/10.1201/9780429451010Martín M.M. Introduction to Software for Chemical Engineers. 2nd edition. CRC Press; 2019. 802 p. https://doi.org/10.1201/9780429451010Luyben W.L. Distillation Design and Control Using Aspen Simulation. 2nd edition. JohnWiley & Sons, Inc.; 2013. 510 p.Luyben W.L. Distillation Design and Control Using Aspen Simulation. 2nd edition. JohnWiley & Sons, Inc.; 2013. 510 p.Schefflan R. Teach Yourself the Basic of Aspen Plus™. 2nd edition. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.; 2016. 331 p.Schefflan R. Teach Yourself the Basic of Aspen Plus™. 2nd edition. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc.; 2016. 331 p.Захаров М.К., Бойчук А.А. Выбор оптимального варианта разделения смеси углеводородных газов методом ректификации. Тонкие химические технологии. 2018;13(3):23–29. https://doi.org/10.32362/24106593-2018-13-3-23-29Zakharov M.K., Boychuk A.A. Selecting the optimum scheme of the separation of hydrocarbon gases by distillation. Tonk. Khim. Tekhnol. = Fine Chem. Technol. 2018;13(3):2329 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/24106593-2018-13-3-23-29Zakharov M.K., Nosov G.A., Pisarenko Yu.A., Zhil’tsova L.M., Shvets A.A. Comparison of distributed heat supplies along the height of fractionating columns with conventional fractionation. Theor. Found. Chem. Eng. 2017;51(5):708–715. https://doi.org/10.1134/S0040579517050402Zakharov M.K., Nosov G.A., Pisarenko Yu.A., Zhil’tsova L.M., Shvets A.A. Comparison of distributed heat supplies along the height of fractionating columns with conventional fractionation. Theor. Found. Chem. Eng. 2017;51(5):708–715. https://doi.org/10.1134/S0040579517050402

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