chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2022-17-3-189-200chemicallytech-1836Research ArticleArticlesСтатьиAnalysis of the rectifying separation of H2O–D2O mixture into light and heavy water by means of mathematical modelingАнализ ректификационного разделения смеси H2O–D2O на легкую и тяжелую воду методом математического моделированияhttps://orcid.org/0000-0001-9278-871XКоротковаТ. Г.KorotkovaT. G.

Короткова Татьяна Германовна, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры безопасности жизнедеятельности

350072, г. Краснодар, ул. Московская, д. 2

Scopus Author ID 56195415000,

ResearcherID AAQ-3126-2021,

SPIN-код РИНЦ 3212-7120

 

Tatyana G. Korotkova, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department of Life Safety

2, Moskovskaya ul., Krasnodar, 350072

Scopus Author ID 56195415000,

ResearcherID AAQ-3126-2021,

RSCI SPIN-code 3212-7120

korotkova1964@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9848-7715КасьяновГ. И.KasyanovG. I.

Касьянов Геннадий Иванович, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры технологии продуктов питания животного происхождения

350072, г. Краснодар, ул. Московская, д. 2

Scopus Author ID 57063475000,

SPIN-код РИНЦ 1518-7974

Gennady I. Kasyanov, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department of Food Technology of Animal Origin

2, Moskovskaya ul., Krasnodar, 350072

Scopus Author ID 57063475000,

RSCI SPIN-code 1518-7974

korotkova1964@mail.ruКубанский государственный технологический университетРоссияKuban State Technological UniversityRussian Federation202231072022173189200Copyright © Korotkova T.G., Kasyanov G.I., 20222022Короткова Т.Г., Касьянов Г.И.Korotkova T.G., Kasyanov G.I.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/1836Objectives

Objectives. To apply an analytical method for the calculation of a distillation column for the production of D2O at a two-column Kuhn installation operating under vacuum: to simulate the Kuhn installation in the Hysys software; and to compare experimental and calculated data.

Methods

Methods. Analytical method for the calculation of distillation columns “from stage to stage,” from the lower theoretical separation stage (TSS) to the upper stage. This method is based on phase equilibrium at the TSS with known data of input flows and component concentrations in the column bottoms. Hysys was used as modeling software.

Results

Results. Comparison of the calculation results with Kuhn’s experimental data testified to the high calculation accuracy of the vapor–liquid phase equilibrium for the H2O–D2O mixture at the TSS. The convergence of the D2O material balance for the entire installation was 0.005%. The identification parameter was the number of the column feed plate. Simulation of the Kuhn installation in the Hysys software showed a qualitative agreement of D2O concentrations in material flows. The UNIQUAC (UNIversal QUAsiChemical) model was used to calculate activity coefficients. The found values of the number of theoretical separation stages (NTSS) in both columns, were 88 and 153 taking into account the reboiler and condenser. This is less than the experimental 295 and 400, respectively. The discrepancy can be explained by the increased phase equilibrium H2O constant in the UNIQUAC model. However, the convergence of the material balance in terms of D2O was high and amounted to 1.38·10−6 %. The absolute error of the found concentrations in material flows did not exceed 0.12 mol %.

Conclusions

Conclusions. The results obtained indicated the possible use of the Hysys modeling software when searching for and optimizing the operating mode of the block diagram of a cascade of distillation columns with direct and recycle flows to separate a mixture of water into light and heavy water. The final results obtained with regard to the operating mode, inlet and outlet material flows (flow rate, composition, temperature, and pressure drop across the column) are recommended for use in the analytical program for the calculation of the distillation column to refine the NTSS and distribution profile of the concentrations of the H2O and D2O components along the height of the column.

Цели

Цели. Применение аналитического метода расчета ректификационной колонны для получения D2O в двухколонной установке Куна, работающей под вакуумом. Моделирование установки Куна в программной среде Hysys. Сравнение экспериментальных и расчетных данных.

Методы

Методы. Аналитический метод расчета ректификационной колонны «от ступени к ступени» от нижней теоретической ступени разделения (ТСР) к верхней, основанный на фазовом равновесии на ТСР при известных исходных данных входных потоков и концентраций компонентов в кубе колонны. Среда моделирования Hysys.

Результаты

Результаты. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными Куна свидетельствовало о высокой точности расчета равновесия фаз пар – жидкость для смеси H2O–D2O на ТСР. Сходимость материального баланса по D2O по установке в целом составила 0.005%. Параметром идентификации являлся номер тарелки питания колонны. Моделирование установки Куна в среде Hysys показало качественное согласование концентраций D2O в материальных потоках. Для расчета коэффициентов активности использована модель UNIversal QUAsiChemical (UNIQUAC). Найденные значения числа теоретических ступеней разделения (ЧТСР) в обеих колоннах с учетом ребойлера и конденсатора составляют 88 и 153, что меньше экспериментальных 295 и 400 соответственно. Расхождение объясняется повышенным значением константы фазового равновесия H2O модели UNIQUAC, однако сходимость материального баланса по D2O высокая и составляет 1.38·10−6 %. Абсолютная погрешность найденных значений концентраций в материальных потоках не превышает 0.12 мол. %.

Выводы

Выводы. Полученные результаты свидетельствуют о возможном применении среды моделирования Hysys для поиска и оптимизации режима работы структурной схемы каскада ректификационных колонн с прямыми и рецикловыми потоками для разделения смеси воды на легкую и тяжелую воду. Полученные конечные результаты по режиму работы, входным и выходным материальным потокам (расход, состав, температура, перепад давлений по колонне) рекомендовано использовать в аналитической программе расчета ректификационной колонны для уточнения ЧТСР и профиля распределения концентраций компонентов H2O и D2O по высоте колонны.

легкая водатяжелая водаHysysнепрерывная ректификациякоэффициент разделениякоэффициенты активности H2O и D2Olight waterheavy waterHysyscontinuous distillationseparation factoractivity coefficients of H2O and D2OReferencesPlotnikova L.V., Chilikova I.I., Sitnikov S.Y., Ukhlin V.E., Efremov G.I., Kislov A.P. Computer model of the power system with inclusion of a heat pump in the process of separation. E3S Web of Conf. 2019;124:01032. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201912401032Plotnikova L.V., Chilikova I.I., Sitnikov S.Y., Ukhlin V.E., Efremov G.I., Kislov A.P. Computer model of the power system with inclusion of a heat pump in the process of separation. E3S Web of Conf. 2019;124:01032. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201912401032Sotelo D., Favela-Contreras A., Lozoya C., Beltran-Carbajal F., Dieck-Assad G., Sotelo C. Dynamic simulation of a crude oil distillation plant using Aspen-Hysys. Int. J. Simul. Model. 2019;18(2):229–241. https://doi.org/10.2507/IJSIMM18(2)465Sotelo D., Favela-Contreras A., Lozoya C., Beltran-Carbajal F., Dieck-Assad G., Sotelo C. Dynamic simulation of a crude oil distillation plant using Aspen-Hysys. Int. J. Simul. Model. 2019;18(2):229–241. https://doi.org/10.2507/IJSIMM18(2)465Магометбеков Э.П., Белкин Д.Ю., Растунова И.Л., Сазонов А.Б., Селиваненко И.Л., Кулов Н.Н. Математическое моделирование и оптимизация каскада депротизации тяжеловодного замедлителя. Теор. основы хим. технологии. 2017;51(2):131–139. https://doi.org/10.7868/S0040357117020051Magomedbekov E.P., Belkin D.Yu., Rastunova I.L., Sazonov A.B., Selivanenko I.L., Kulov N.N. Simulation and Optimization of the Deprotiation Cascade of a Heavy-Water Moderator. Theor. Found. Chem. Eng. 2017;51(2):133–141. https://doi.org/10.1134/S004057951702004X [Original Russian Text: Magomedbekov E.P., Belkin D.Yu., Rastunova I.L., Sazonov A.B., Selivanenko I.L., Kulov N.N. Simulation and Optimization of the Deprotiation Cascade of a Heavy-Water Moderator. Teoreticheskie osnovy khimicheskoi tekhnologii. 2017;51(2):131–139 (in Russ.). https://doi.org/10.7868/S0040357117020051 ]Короткова Т.Г., Касьянов Г.И. Метод расчета ректификационной колонны для разделения смеси легкой и тяжелой воды. Журн. физ. химии. 2021;95(5):800–809. https://doi.org/10.31857/S0044453721050186Korotkova T.G., Kas’yanov G.I. Calculating a Rectification Column for Separating Mixtures of Light and Heavy Water. Russ. J. Phys. Chem. 2021;95(5):1051–1060. https://doi.org/10.1134/S0036024421050186 [Original Russian Text: Korotkova T.G., Kas’yanov G.I. Calculating a Rectification Column for Separating Mixtures of Light and Heavy Water. Zhurnal fizicheskoi khimii. 2021;95(5):800–809 (in Russ.). https://doi.org/10.31857/S0044453721050186 ]Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии: в 2 ч.; пер. с англ. А.В. Беспалова, А.П. Жукова, В.В. Паукова. М.: Мир; 1989. Ч. 1. 301 с. Ч. 2. 360 с.Walas S. Fazovye ravnovesiya v khimicheskoi tekhnologii (Phase equilibria in chemical technology). In 2 v.; transl. from Engl. Moscow: Mir; 1989. V. 1. 301 p. V. 2. 360 p. (in Russ.).Alshbuki E.H., Bey M.M., Mohamed A.A. Simulation Production of Dimethylether (DME) from Dehydration of Methanol Using Aspen Hysys. Sch. Int. J. Chem. Mater. Sci. 2020;3(2):13–18. https://doi.org/10.36348/sijcms.2020.v03i02.002Alshbuki E.H., Bey M.M., Mohamed A.A. Simulation Production of Dimethylether (DME) from Dehydration of Methanol Using Aspen Hysys. Sch. Int. J. Chem. Mater. Sci. 2020;3(2):13–18. https://doi.org/10.36348/sijcms.2020.v03i02.002Иванов И.В., Лотхов В.А., Кулов Н.Н. Моделирование процесса периодической экстрактивной ректификации. Теор. основы хим. технологии. 2017;51(3):239–247. https://doi.org/10.7868/S004035711703006XIvanov I.V., Lotkhov V.A., Kulov N.N. Modeling of batch extractive distillation. Theor. Found. Chem. Eng. 2017;51(3):253–261. https://doi.org/10.1134/S004057951703006X [Original Russian Text: Ivanov I.V., Lotkhov V.A., Kulov N.N. Modeling of batch extractive distillation. Teoreticheskie osnovy khimicheskoi tekhnologii. 2017;51(3):239–247 (in Russ.). https://doi.org/10.7868/S004035711703006X ]Gil I.D., Uyazán A.M., Aguilar J.L., Rodríguez G., Caicedo L.A. Separation of ethanol and water by extractive distillation with salt and solvent as entrainer: process simulation. Braz. J. Chem. Eng. 2008;25(01):207–215. https://doi.org/10.1590/S0104-66322008000100021Gil I.D., Uyazán A.M., Aguilar J.L., Rodríguez G., Caicedo L.A. Separation of ethanol and water by extractive distillation with salt and solvent as entrainer: process simulation. Braz. J. Chem. Eng. 2008;25(01):207–215. https://doi.org/10.1590/S0104-66322008000100021Короткова Т.Г., Константинов Е.Н. Моделирование технологии получения пищевого спирта на брагоректификационной установке. Изв. вузов. Пищевая технология. 2012;1(325):108–111.Korotkova T.G., Konstantinov E.N. Modeling technology for food alcohol on distillation plant. Izvestiya vuzov. Pishchevaya tekhnologiya = Food Technology. 2012;1(325):108–111 (in Russ.).Jorge L.M.M, Polli P.A., Nicolin D.J., Jorge R.M.M., Paraíso P.R., Filho R.M. Simulation and analysis of an industrial column system of bioethanol distillation heated by vapor direct injection. ENGEVISTA. 2015;17(2):254–265. https://doi.org/10.22409/engevista.v17i2.657Jorge L.M.M, Polli P.A., Nicolin D.J., Jorge R.M.M., Paraíso P.R., Filho R.M. Simulation and analysis of an industrial column system of bioethanol distillation heated by vapor direct injection. ENGEVISTA. 2015;17(2):254–265. https://doi.org/10.22409/engevista.v17i2.657Короткова Т.Г., Константинов Е.Н. Технология получения безводного этилового спирта азеотропным методом. Изв. вузов. Пищевая технология. 2013;1(331):72–76.Korotkova T.G., Konstantinov E.N. Production technology of anhydrous ethyl alcohol azeotropic method. Izvestiya vuzov. Pishchevaya tekhnologiya = Food Technology. 2013;1(331):72–76 (in Russ.).Bhattacharyya R, Bhanja K. Studies on the Dynamic Behaviour and Hydraulic Characteristics of a Water Distillation Column. Chem. Technol. Ind. J. 2018;13(2):125. URL: https://www.tsijournals.com/articles/studies-on-the-dynamic-behaviour-and-hydraulic-characteristics-of-a-water-distillation-column-13803.htmlBhattacharyya R, Bhanja K. Studies on the Dynamic Behaviour and Hydraulic Characteristics of a Water Distillation Column. Chem. Technol. Ind. J. 2018;13(2):125. URL: https://www.tsijournals.com/articles/studies-on-thedynamic-behaviour-and-hydraulic-characteristics-of-a-waterdistillation-column-13803.htmlКрель Э. Руководство по лабораторной перегонке: пер. с нем. М.: Химия; 1980. 520 с.Krell E. Handbuch der Labaratoriumsdestillation. Berlin; 1976. [Krel’ E. Rukovodstvo po laboratornoi peregonke. (Handbook on laboratory distillation) transl. from German. Moscow: Khimiya; 1980. 520 p. (in Russ.).]Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука; 1972. 720 с.Vargaftik N.B. Spravochnik po teplofizicheskim svoistvam gazov i zhidkostei (Reference book on thermophysical properties of gases and liquids). Moscow: Nauka; 1972. 720 p. (in Russ.).Волков А.И., Жарский И.М. Большой химический справочник. Минск: Современная школа; 2005. 608 с.Volkov A.I., Zharskii I.M. Bol’shoi khimicheskii spravochnik (Big chemical reference book). Minsk: Sovremennaya shkola; 2005. 608 p. (in Russ.).Розенкевич М.Б., Растунова И.Л. Теоретические основы процессов разделения изотопов. Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами. IHISM’14: Сборник докладов Пятой Международной конференции и Девятой Международной школы молодых ученых и специалистов им. А.А. Курдюмова. Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ»; 2015. С. 57–76. URL: http://book.sarov.ru/wp-content/uploads/2017/12/IHISM-14-5.pdfRozenkevich M.B., Rastunova I.L. Theoretical foundations of isotope separation processes. In: Interaction of Hydrogen Isotopes with Structural Materials: Abstracts of presentations at the V International Conference and IX International School for Young Scientists and Specialists. Sarov; 2015. P. 57–76 (in Russ.). URL: http://book.sarov.ru/wp-content/uploads/2017/12/IHISM-14-5.pdfKorotkova T.G., Kasyanov G.I., Baryshev M.G. Validation for adequacy description of the vapor-liquid phase equilibrium at the theoretical step when separating a mixture of light and heavy water by rectification. Egyptian J. Chem. 2022;65(2):591–595. https://doi.org/10.21608/ejchem.2021.94114.4433Korotkova T.G., Kasyanov G.I., Baryshev M.G. Validation for adequacy description of the vapor-liquid phase equilibrium at the theoretical step when separating a mixture of light and heavy water by rectification. Egyptian J. Chem. 2022;65(2):591–595.

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