chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2023-18-2-83-97chemicallytech-1951Research ArticleTHEORETICAL BASIS OF CHEMICAL TECHNOLOGYТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИApplication of diabatic extractive distillation schemes with preliminary separation of azeotropic components for separation of acetone-toluene-n-butanol mixtureПрименение схем неадиабатической экстрактивной ректификации с предварительным отделением азеотропообразующих компонентов для разделения смеси ацетон-толуол-н-бутанолhttps://orcid.org/0000-0001-5844-549XКлаузнерП. С.KlauznerP. S.

Клаузнер Павел Сергеевич - кандидат технических наук, ассистент кафедры химии и технологии основного органического синтеза.

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

ResearcherID AAJ-7842-2021

Pavel S. Klauzner - Cand. Sci. (Eng.), Assistant, Department of Chemistry and Technology of Basic Organic Synthesis, M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies, MIREA - Russian Technological University.

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571

ResearcherID AAJ-7842-2021

klauzner@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9892-7909РудаковД. Г.RudakovD. G.

Рудаков Данила Григорьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры химии и технологии основного органического синтеза.

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

Scopus Author ID 37018548000, ResearcherID M-5241-2014

Danila G. Rudakov - Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Department of Chemistry and Technology of Basic Organic Synthesis, M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies, MIREA - Russian Technological University.

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571

Scopus Author ID 37018548000, ResearcherID M-5241-2014

rudakov@mirea.ruАнохинаЕ. А.AnokhinaE. A.

Анохина Елена Анатольевна - доктор технических наук, профессор кафедры химии и технологии основного органического синтеза.

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

Scopus Author ID 6701718055, ResearcherlD E-5022-2016

Elena A. Anokhina - Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department of Chemistry and Technology of Basic Organic Synthesis, M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies, MIREA - Russian Technological University.

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571

Scopus Author ID 6701718055, ResearcherID E-5022-2016

anokhina.ea@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6511-7440ТимошенкоА. В.TimoshenkoA. V.

Тимошенко Андрей Всеволодович – доктор технических наук, профессор кафедры химии и технологии основного органического синтеза.

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

Scopus Author ID 56576076700, ResearcherlD Y-8709-2018

Andrey V. Timoshenko - Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department of Chemistry and Technology of Basic Organic Synthesis, M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies, MIREA - Russian Technological University.

86, Vernadskogo pr., Moscow, 119571

Scopus Author ID 56576076700, ResearcherID Y-8709-2018

timoshenko@mirea.ruИнститут тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова ФГБОУ ВО «МИРЭА - Российский технологический университет»РоссияMIREA - Russian Technological University (M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies)Russian Federation2023260520231828397Copyright © Klauzner P.S., Rudakov D.G., Anokhina E.A., Timoshenko A.V., 20232023Клаузнер П.С., Рудаков Д.Г., Анохина Е.А., Тимошенко А.В.Klauzner P.S., Rudakov D.G., Anokhina E.A., Timoshenko A.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/1951Objectives

Objectives. The study aims to investigate the effectiveness of the use of various options for organizing the process of diabatic distillation in the separation of a mixture of acetone-toluene-n-butanol by extractive distillation using dimethylformamide as an entrainer in a scheme with preliminary separation of azeotropic components.

Methods

Methods. As the main research method, mathematical modeling in the Aspen Plus V. 12 software package was used. As a model for describing vapor-liquid equilibrium, the local composition Non-Random Two Liquid equation model was used. Parametric optimization of diabatic schemes was carried out according to the criterion of reduced energy costs.

Results

Results. Based on the scheme for extractive distillation of an acetone-toluene-n-butanol mixture with preliminary separation of azeotropic components, five options for organizing diabatic distillation schemes were considered, both with and without use of a compressor to reach a required flows temperature.

Conclusion

Conclusion. It is shown that the use of diabatic schemes in the extractive distillation of a acetone-toluene-n-butanol mixture with dimethylformamide makes it possible to diminish the reduced energy costs by 8.9-43.5%. Meanwhile the maximum reduction in energy consumption is achieved in a scheme where upper vapor flows of two other columns are used to heat the azeotropic components separating column.

Цели

Цели. Исследование энергетической эффективности применения неадиабатической экстрактивной ректификации при разделении смеси ацетон-толуол-н-бутанол с диметилформамидом в качестве разделяющего агента в схеме с предварительным отделением азеотропообразующих компонентов.

Методы

Методы. В качестве основного метода исследования применялось математическое моделирование с использованием программного комплекса Aspen Plus V. 12. Моделирование парожидкостного равновесия производилось по уравнению локальных составов Non-Random Two Liquid. Параметрическая оптимизация неадиабатических схем проводилась по критерию приведенных энергетических затрат.

Результаты

Результаты. На основе схемы экстрактивной ректификации смеси ацетон-толуол-н-бутанол с предварительным отделением азеотропообразующих компанентов было рассмотрено пять вариантов организации схем неадиабатической ректификации, как с использованием компрессора для достижения необходимой температуры потоков, так и без него.

Выводы

Выводы. Показано, что применение неадиабатической экстрактивной ректификации в схеме разделения смеси ацетон-толуол-н-бутанол с диметилформамидом с предварительным отделением азеотропообразующих компонентов позволяет снизить приведенные энергетические затраты на 8.9-43.5%, при этом максимальное снижение энергозатрат достигается в схеме с использованием для обогрева колонны отделения азеотропообразующих компонентов верхних паровых потоков двух других колонн.

экстрактивная ректификациятеплоинтеграциянедиабетическая ректификацияэнергосбережениеextractive distillationheat integrationdiabatic distillationenergy savingРабота выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках Государственного задания РТУ МИРЭА, тема № 0706-2020-0020.The study was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation, the state assignment for RTU MIREA, No. 0706-2020-0020.ReferencesWang C., Guang C., Cui Y., Wang C., Zhang Z. Compared novel thermally coupled extractive distillation sequences for separating multi-azeotropic mixture of acetonitrile/benzene/methanol. Chem. Eng. Res. Des. 2018;136:513-528. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2018.06.017Wang C., Guang C., Cui Y., Wang C., Zhang Z. Compared novel thermally coupled extractive distillation sequences for separating multi-azeotropic mixture of acetonitrile/benzene/methanol. Chem. Eng. Res. Des. 2018;136:513-528. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2018.06.017Yang A., Sy Y, Chien I.L., Jin S., Yan C., Wei S., Shen W., et al. Investigation of an energy-saving double-thermally coupled extractive distillation for separating ternary system benzene/toluene/cyclohexane. Energy. 2019;186:115756. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.07.086Yang A., Sy Y, Chien I.L., Jin S., Yan C., Wei S., Shen W., et al. Investigation of an energy-saving double-thermally coupled extractive distillation for separating ternary system benzene/toluene/cyclohexane. Energy. 2019;186:115756. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.07.086Anokhina E.A., Timoshenko A.V., Akishin A.Y., Remizova A.V. Benzene purification from thiophene using dimethylformamide as an entrainer in thermally coupled extractive distillation columns. Chem. Eng. Res. Des. 2019;146:391-403. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2019.04.003Anokhina E.A., Timoshenko A.V., Akishin A.Y., Remizova A.V. Benzene purification from thiophene using dimethylformamide as an entrainer in thermally coupled extractive distillation columns. Chem. Eng. Res. Des. 2019;146:391-403. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2019.04.003You X., Rodriguez-Donis I., Gerbaud V. Improved design and efficiency of the extractive distillation process for acetone-methanol with water. Ind. Eng. Chem. Res. 2015;54(1):491-501. https://doi.org/10.1021/ie503973aYou X., Rodriguez-Donis I., Gerbaud V. Improved design and efficiency of the extractive distillation process for acetone-methanol with water. Ind. Eng. Chem. Res. 2015;54(1):491-501. https://doi.org/10.1021/ie503973aYou X., Gu J., Peng C., Rodriguez-Donis I., Liu H. Optimal design of extractive distillation for acetic acid dehydration with N-methyl acetamide. Chem. Eng. Process.: Process Intensif. 2017;120:301-316. https://doi.org/10.1016/j.cep.2017.07.025You X., Gu J., Peng C., Rodriguez-Donis I., Liu H. Optimal design of extractive distillation for acetic acid dehydration with N-methyl acetamide. Chem. Eng. Process.: Process Intensif. 2017;120:301-316. https://doi.org/10.1016/j.cep.2017.07.025You X., Rodriguez-Donis I., Gerbaud V. Reducing process cost and CO2 emissions for extractive distillation by double-effect heat integration and mechanical heat pump. Appl. Energy. 2016;166:128-140. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.01.028You X., Rodriguez-Donis I., Gerbaud V. Reducing process cost and CO2 emissions for extractive distillation by double-effect heat integration and mechanical heat pump. Appl. Energy. 2016;166:128-140. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.01.028Клаузнер П.С., Рудаков Д.С., Анохина Е.А., Тимошенко А.В. Применение схем с частично связанными тепловыми и материальными потоками и тепловых насосов для снижения энергетических затрат на экстрактивную ректификацию смеси изобутиловый спирт-изобутилацетат с диметилформамидом. Теор. основы хим. технологии. 2020;54(3):276-285. https://doi.org/10.31857/S0040357120030070Klauzner P.S., Rudakov D.G., Anokhina E.A., Timoshenko A.V. Use of Partially Thermally Coupled Distillation Systems and Heat Pumps for Reducing the Energy Consumption in the Extractive Distillation of an Isobutanol-Isobutyl Acetate Mixture Using Dimethylformamide. Theor. Found. Chem. Eng. 2020;54(3):397-406. https://doi.org/10.1134/S0040579520030070. Original Russian Text: Klauzner P.S., Rudakov D.G., Anokhina E.A., Timoshenko A.V. Use of Partially Thermally Coupled Distillation Systems and Heat Pumps for Reducing the Energy Consumption in the Extractive Distillation of an Isobutanol-Isobutyl Acetate Mixture Using Dimethylformamide. Teoreticheskie osnovy khimicheskoi tekhnologii. 2020;54(3):276-285. https://doi.org/10.31857/S0040357120030070Xu Y., Li J., Ye Q., Li Y. Design and optimization for the separation of tetrahydrofuran/isopropanol/water using heat pump assisted heat-integrated extractive distillation. Sep. Purif. Technol. 2021;277:119498. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.119498Xu Y., Li J., Ye Q., Li Y. Design and optimization for the separation of tetrahydrofuran/isopropanol/water using heat pump assisted heat-integrated extractive distillation. Sep. Purif. Technol. 2021;277:119498. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.119498Jana A.K. Performance analysis of a heat integrated column with heat pumping. Sep. Purif. Technol. 2019;209:18-25. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.07.011Jana A.K. Performance analysis of a heat integrated column with heat pumping. Sep. Purif. Technol. 2019;209:18-25. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.07.011Nova-Rincon A., Ramos M.A., Gomez J.M. Simultaneous optimal design and operation of a diabatic extractive distillation column based on exergy analysis. Int. J. Exergy. 2015;17(3):287-312. https://doi.org/10.1504/IJEX.2015.070500Nova-Rincon A., Ramos M.A., Gomez J.M. Simultaneous optimal design and operation of a diabatic extractive distillation column based on exergy analysis. Int. J. Exergy. 2015;17(3):287-312. https://doi.org/10.1504/IJEX.2015.070500Клаузнер П.С., Рудаков Д.Г., Анохина Е.А., Тимошенко А.В. Оценка энергетической эффективности схем неадиабатической ректификации смеси ацетон - толуол - н-бутанол с использованием экстрактивного агента в первой колонне. Тонкие химические технологии. 2023;18(1):7-20. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2023-18-1-7-20Klauzner P.S., Rudakov D.G., Anokhina E.A., Timoshenko A.V. Energy efficiency of diabatic distillation schemes for an acetone-toluene-n-butanol mixture with an entrainer in the first column. Tonk. Khim. Tekhnol. = Fine Chem. Technol. 2023;18(1):7-20 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2410-6593-2023-18-1-7-20Aurangzeb Md., Jana A.K. Vapor recompression with interreboiler in a ternary dividing wall column: Improving energy efficiency and savings, and economic performance. Appl. Therm. Eng. 2018;147:1009-1023. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.11.008Aurangzeb Md., Jana A.K. Vapor recompression with interreboiler in a ternary dividing wall column: Improving energy efficiency and savings, and economic performance. Appl. Therm. Eng. 2018;147:1009-1023. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.11.008

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