chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2026-21-3-253-271DGICDHchemicallytech-2414Research ArticleTHEORETICAL BASIS OF CHEMICAL TECHNOLOGYТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИApplication of columns with side withdrawal in schemes for benzene recovery from benzene-containing fractions of various compositionsПрименение колонн с боковым отбором в схемах выделения бензола из бензолсодержащих фракций различного составаРамочниковД. А.RamochnikovD. A.

Рамочников Дмитрий Александрович, аспирант, кафедра химии и технологии основного органического синтеза

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Dmitry A. Ramochnikov, Postgraduate Student, Department of Chemistry and Technology of Basic Organic Synthesis

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

w2595520@yandex.ruАнохинаЕ. А.AnokhinaE. A.

Анохина Елена Анатольевна, д.т.н., профессор, кафедра химии и технологии основного органического синтеза

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Scopus Author ID 6701718055

ResearcherID E-5022-2016

Elena A. Anokhina, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department of Chemistry and Technology of Basic Organic Synthesis

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

Scopus Author ID 6701718055

ResearcherID E-5022-2016

anokhina.ea@mail.ruГурбановП. В.GurbanovP. V.

Гурбанов Полад Вугар оглы, студент

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Polad V. Gurbanov, Student

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

polad02@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5844-549XКлаузнерП. С.KlauznerP. S.

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

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

ResearcherID AAJ-7842-2021

Pavel S. Klauzner, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Department of Chemistry and Technology of Basic Organic Synthesis

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

ResearcherID AAJ-7842-2021

RSCI SPIN-code 6922-6509

klauzner@mirea.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6511-7440ТимошенкоА. В.TimoshenkoA. V.

Тимошенко Андрей Всеволодович, д.т.н., профессор, кафедра химии и технологии основного органического синтеза

119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78

Scopus Author ID 56576076700

ResearcherID Y-8709-2018

Andrey V. Timoshenko, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department of Chemistry and Technology of Basic Organic Synthesis

78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454

Scopus Author ID 56576076700

ResearcherID Y-8709-2018

timoshenko@mirea.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 Federation202613072026213253271Copyright © Ramochnikov D.A., Anokhina E.A., Gurbanov P.V., Klauzner P.S., Timoshenko A.V., 20262026Рамочников Д.А., Анохина Е.А., Гурбанов П.В., Клаузнер П.С., Тимошенко А.В.Ramochnikov D.A., Anokhina E.A., Gurbanov P.V., Klauzner P.S., 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/2414Objectives

Objectives. The work set out to evaluate the energy and economic efficiency of applying complex columns with side withdrawal in extractive distillation schemes of benzene–cyclohexane–toluene mixtures of various compositions using N-methylpyrrolidone as the entrainer.

Methods

Methods. A method based on the transformation of graphs representing flowsheets was used for the synthesis of extractive distillation schemes incorporating columns with side withdrawal. Determination of optimal scheme parameters was performed by scanning the range of variable changes with a specified step according to the criterion of minimizing total energy consumption in the column reboilers. The Non-Random Two Liquid local composition equation was used for modeling vapor–liquid equilibrium. The computational experiment was carried out using the Aspen Plus v.10 software package.

Results

Results. Six flowsheets incorporating columns with side withdrawal (flowsheets of subset I) were generated using the graph method based on five flowsheets for extractive distillation of the benzene–cyclohexane–toluene mixture incorporating columns with a side section (flowsheets of subset Θ). Optimal parameters of the synthesized flowsheets were determined for separating the studied mixture of two initial compositions according to the criterion of total energy consumption. These compositions are simplified analogs of fractions produced in the processes of catalytic hydrotreating-hydrocracking of pyrolysis gasoline (Composition 1) and during catalytic steam dealkylation of pyrolysis gasoline (Composition 2). Columns with side withdrawal in each flowsheet of subset I were calculated with both vapor-phase and liquid-phase side streams. Extractive distillation schemes of different structures were compared according to the criteria of total energy consumption in column reboilers (∑Qreb) and total annual cost (TAC).

Conclusions

Conclusions. It is established that the energy and economic efficiency of flowsheets incorporating columns with side withdrawal does not significantly depend on the phase state of the side stream. When separating the benzene–cyclohexane–toluene mixture of both considered compositions, the minimum ∑Qreb value was found to correspond to Flowsheet I2.2-V. This flowsheet consists of an extractive distillation column, an N-methylpyrrolidone regeneration column with a side withdrawal of a vapor-phase stream above the feed plate, and a distillation column for the benzene–toluene mixture. The minimum TAC value is characteristic of Flowsheet I1.1, which includes an extractive column with a side withdrawal of a stream below the feed plate in the vapor phase (for Composition 1) or in the liquid phase (for Composition 2). For separating the studied mixture of both considered compositions, it is advisable to use Flowsheet I1.1 with a liquid-phase side withdrawal stream from the extractive column, as in this case, withdrawing the side stream is simpler and regulating its flow rate and composition is easier.

Цели

Цели. Оценка энергетической и экономической эффективности применения сложных колонн с боковым отбором в схемах экстрактивной ректификации смеси бензол–циклогексан–толуол различного состава с N-метилпирролидоном в качестве разделяющего агента.

Методы

Методы. Для синтеза схем экстрактивной ректификации, включающих колонны с боковым отбором, использован метод трансформации графов, отображающих технологические схемы. Определение оптимальных параметров схем по критерию минимума суммарных энергетических затрат в кипятильниках колонн проводили методом сканирования области изменения переменных с заданным шагом. Для моделирования равновесия жидкость–пар использовано уравнение локальных составов Non-Random Two Liquid. Вычислительный эксперимент выполнен с применением программного комплекса Aspen Plus v.10.

Результаты

Результаты. На базе пяти схем экстрактивной ректификации смеси бензол–циклогексан–толуол, включающих колонны с боковой секцией (схемы подмножества Q), с применением метода графов сгенерировано шесть схем, включающих колонны с боковым отбором (схемы подмножества I). Определены оптимальные по критерию суммарных энергетических затрат параметры синтезированных схем при разделении исследуемой смеси двух исходных составов, которые являются упрощенными аналогами фракций, образующихся в процессах каталитической гидроочистки-гидрокрекинга бензинов пиролиза (состав 1) и при каталитическом деалкилировании бензинов пиролиза с водяным паром (состав 2). Колонны с боковым отбором в каждой схеме подмножества I рассчитаны как с парофазным, так и с жидкофазным боковым потоком. Проведено сравнение схем экстрактивной ректификации различной структуры по критериям суммарных энергетических затрат в кипятильниках колонн (SQreb) и полных годовых затрат (total annual cost, TAC).

Выводы

Выводы. Установлено, что энергетическая и экономическая эффективность схем, включающих колонны с боковым отбором, практически не зависит от агрегатного состояния бокового потока. Выявлено, что при разделении смеси бензол– циклогексан–толуол обоих рассмотренных составов минимальное значение SQreb отвечает схеме I2.2-пар, которая состоит из колонны экстрактивной ректификации, колонны регенерации N-метилпирролидона с боковым отбором потока в паровой фазе выше тарелки питания и колонны ректификации смеси бензол–толуол. Минимальной величиной TAC характеризуется схема I1.1, включающая экстрактивную колонну с боковым отбором потока ниже тарелки питания в паровой фазе (в случае состава 1) или в жидкой фазе (в случае состава 2). Для разделения исследуемой смеси обоих рассмотренных составов целесообразно использовать схему I1.1 с жидкофазным потоком бокового отбора из экстрактивной колонны, поскольку в этом случае проще осуществить отбор бокового потока и легче регулировать его расход и состав.

бензолэкстрактивная ректификацияколонны с боковым отборомэнергосбережениеоптимизацияbenzeneextractive distillationcolumns with side drawenergy savingoptimizationРабота выполнена при финансовой поддержке гранта Государственного задания Российской Федерации № FSFZ-2023-0003.This work was supported by the Russian State Assignment, grant No. FSFZ-2023-0003.ReferencesЛитвинцев Ю.И., Трапезников Е.Г. Анализ российского рынка бензола. Сборник научных трудов Ангарского государственного технического университета. 2024;21(1): 129–132. https://doi.org/10.36629/2686-7788-2024-1-129-132Litvintsev Yu.I., Trapeznikov E.G. Analysis of the Russian benzene market. Sbornik nauchnykh trudov Angarskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Scientific Papers Collection of the Angarsk State Technical University. 2024;21(1):129–132 (in Russ.). https://doi.org/10.36629/2686-7788-2024-1-129-132Гайле А.А., Соловых И.А. Снижение содержания бензола в автомобильных бензинах методом экстрактивной ректификации (обзор). Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2013;18(44):32–42. https://elibrary.ru/qauahbGailye A.A., Solovykh I.A. Reduction of benzene content in motor gasolines by extractive rectification process (Review). Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo instituta (tekhnicheskogo universiteta) = Bulletin of the Saint Petersburg State Institute of Technology (Technical University). 2013;18(44):32–42 (in Russ.). https://elibrary.ru/qauahbГайле А.А., Сомов В.Е. Процессы разделения и очистки продуктов переработки нефти и газа. СПб.: Химиздат; 2012, 376 с. ISBN 978-5-93808-199-4Gailye A.A., Somov V.E. Protsessy razdeleniya i ochistki produktov pererabotki nefti i gaza (Processes for Separation and Purification of Oil and Gas Processing Products). St. Petersburg: Khimizdat; 2012, 376 p. (in Russ.). ISBN 978-5-93808-199-4Li W., Xu B., Lei Zh., Dai Ch. Separation of benzene and cyclohexane by extractive distillation intensified with ionic liquid. Chem. Eng. Proc.: Process Intensification. 2018;126:81–89. https://doi.org/10.1016/j.cep.2018.02.016Li W., Xu B., Lei Zh., Dai Ch. Separation of benzene and cyclohexane by extractive distillation intensified with ionic liquid. Chem. Eng. Proc.: Process Intensification. 2018;126:81–89. https://doi.org/10.1016/j.cep.2018.02.016Valdez J.A.C., Patiño-Herrera R., Martínez A.A., Pérez E. Separation of the cyclohexane-benzene mixture by the extractive distillation process using ethylene glycol as a solvent. Chem. Eng. Proc.: Process Intensification. 2024;196:109686. https://doi.org/10.1016/j.cep.2024.109686Valdez J.A.C., Patiño-Herrera R., Martínez A.A., Pérez E. Separation of the cyclohexane-benzene mixture by the extractive distillation process using ethylene glycol as a solvent. Chem. Eng. Proc.: Process Intensification. 2024;196:109686. https://doi.org/10.1016/j.cep.2024.109686Liu B., Hu D., Liu J., Wang Q., Muhammad F. Application of imidazole ionic liquids in extractive distillation of benzene-cyclohexane system: Experimental verification and mechanism analysis. Chem. Eng. Res. Des. 2025;223: 280–291. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2025.10.008Liu B., Hu D., Liu J., Wang Q., Muhammad F. Application of imidazole ionic liquids in extractive distillation of benzene-cyclohexane system: Experimental verification and mechanism analysis. Chem. Eng. Res. Des. 2025;223: 280–291. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2025.10.008Анохина Е.А., Тимошенко А.В., Ребровская А.Е. Энергосберегающие схемы экстрактивной ректификации смеси бензол-циклогексан-толуол с N-метилпирролидоном. Часть 2. Схемы, включающие комплексы с частично связанными тепловыми и материальными потоками. Химическая промышленность сегодня. 2015;3:47–56. https://elibrary.ru/toeqdnAnokhina E.A., TimoshenkoA.V., RebrovskayaA.E. Energy-saving schemes for extractive distillation of a benzene-cyclohexane-toluol mixture with N-methylpyrrolidone. Part 2. Schemes involving complexes with partially coupled heat and material flows. Khimicheskaya promyshlennost’ segodnya = Chemical Industry Developments. 2015;3:47–56 (in Russ.). https://elibrary.ru/toeqdnAnokhina E.A., Berdibekova S.A., Timoshenko A.V. Energy saving schemes for separation of benzene-cyclohexanetoluene mixture with different initial compositions by extractive distillation. Chem. Eng. Trans. 2018;69:871–876. https://doi.org/10.3303/CET1869146Anokhina E.A., Berdibekova S.A., Timoshenko A.V. Energy saving schemes for separation of benzene-cyclohexanetoluene mixture with different initial compositions by extractive distillation. Chem. Eng. Trans. 2018;69:871–876. https://doi.org/10.3303/CET1869146Бурачук А.С., Анохина Е.А., Тимошенко А.В. Исследование динамических режимов работы схем экстрактивной ректификации смеси бензол–циклогексан–толуол. Теор. основы хим. технологии. 2022;56(1):34–47. https://doi.org/10.31857/S0040357122010043Burachuk A.S., Anokhina E.A., Timoshenko A.V. Study of the Dynamic Modes of the Operation of Flowsheets for the Extractive Distillation of a Benzene–Cyclohexane–Toluene Mixture. Theor. Found. Chem. Eng. 2022;56(1):31–44. https://doi.org/10.1134/S0040579522010043 [Original Russian Text: Burachuk A.S., Anokhina E.A., Timoshenko A.V. Study of the Dynamic Modes of the Operation of Flowsheets for the Extractive Distillation of a Benzene–Cyclohexane–Toluene Mixture. Teoreticheskie osnovy khimicheskoi tekhnologii. 2022;56(1):34–47 (in Russ.). https://doi.org/10.31857/S0040357122010043 ]Chen Y., Yin T., Yue C., Liu C., Xiang W., Zhang Q. Dynamic control investigation of an energy-saving double-thermally coupled ternary extractive distillation process. Sep. Purif. Technol. 2025;354(Part 6):129268 https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.129268Chen Y., Yin T., Yue C., Liu C., Xiang W., Zhang Q. Dynamic control investigation of an energy-saving double-thermally coupled ternary extractive distillation process. Sep. Purif. Technol. 2025;354(Part 6):129268 https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.129268Zhang Zh., Wang Ch., Guang Ch., Wang Ch. Separation of propylene oxide-methanol-water mixture via enhanced extractive distillation: Design and control. Chem. Eng. Proc.: Process Intensification. 2019;144:107651. https://doi.org/10.1016/j.cep.2019.107651Zhang Zh., Wang Ch., Guang Ch., Wang Ch. Separation of propylene oxide–methanol–water mixture via enhanced extractive distillation: Design and control. Chem. Eng. Proc.: Process Intensification. 2019;144:107651. https://doi.org/10.1016/j.cep.2019.107651Zhang Q., Zeng A., Yuana X., Ma Y. Design and control of economically attractive side-stream extractive distillation process. Chem. Eng. Res. Des. 2020;160:571–586. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2020.04.041Zhang Q., Zeng A., Yuana X., Ma Y. Design and control of economically attractive side-stream extractive distillation process. Chem. Eng. Res. Des. 2020;160:571–586. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2020.04.041Sun S., Fu L., Yang A., Shen W. An intensified energy-saving architecture for side-stream extractive distillation of four-azeotrope mixtures considering economic, environmental and safety criteria simultaneously. Sep. Purif. Technol. 2023;310:123132. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.123132Sun S., Fu L., Yang A., Shen W. An intensified energy-saving architecture for side-stream extractive distillation of fourazeotrope mixtures considering economic, environmental and safety criteria simultaneously. Sep. Purif. Technol. 2023;310:123132. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.123132Shan B., Wang S., Xu Q., Wang Y., Cui P., Zhang F. Design and multi-objective optimization of hybrid extractive distillation process for separating the toluene-methanol-water ternary azeotrope. Sep. Purif. Technol. 2024;336:126335. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.126335Shan B., Wang S., Xu Q., Wang Y., Cui P., Zhang F. Design and multi-objective optimization of hybrid extractive distillation process for separating the toluene–methanol–water ternary azeotrope. Sep. Purif. Technol. 2024;336:126335. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.126335Pan J., Ding Y., Li J., Xie L., Xu Z., Wu H., Ye Q. Economic, entropy generation and environmental analysis of separation of high-concentration azeotropic mixtures by an innovative extractive distillation configuration based on multi-objective optimization. Sep. Purif. Technol. 2024;340:126729. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.126729Pan J., Ding Y., Li J., Xie L., Xu Z., Wu H., Ye Q. Economic, entropy generation and environmental analysis of separation of high-concentration azeotropic mixtures by an innovative extractive distillation configuration based on multi-objective optimization. Sep. Purif. Technol. 2024;340:126729. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.126729Рудаков Д.Г., ХарламовС.М., Клаузнер П.С., АнохинаЕ.А., Тимошенко А.В. Экстрактивная ректификация смеси тетрагидрофуран – этилацетат – вода в схемах, включающих колонны с боковыми секциями и отборами. Тонкие химические технологии. 2025;20(2):95–106. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2025-20-2-95-106Rudakov D.G., Kharlamov S.M., Klauzner P.S., Anokhina E.A., Timoshenko A.V. Extractive distillation of tetrahydrofuran – ethyl acetate – water mixture in schemes including columns with side sections and side draws. Tonk. Khim. Tekhnol. = Fine Chem. Technol. 2025;20(2):95–106. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2025-20-2-95-106Silva L.M.C., Mattedi S., Gonzalez-Olmos R., Iglesias M. Azeotropic behaviour of (benzene + cyclohexane + chlorobenzene) ternary mixture using chlorobenzene as entrainer at 101.3 kPa. J. Chem. Thermodynamics. 2006;38(12): 1725–1736. https://doi.org/10.1016/j.jct.2005.12.003Silva L.M.C., Mattedi S., Gonzalez-Olmos R., Iglesias M. Azeotropic behaviour of (benzene + cyclohexane + chlorobenzene) ternary mixture using chlorobenzene as entrainer at 101.3 kPa. J. Chem. Thermodynamics. 2006;38(12): 1725–1736. https://doi.org/10.1016/j.jct.2005.12.003Серафимов Л.А. Термодинамико-топологический анализ диаграмм гетерогенного равновесия многокомпонентных смесей. Журн. физ. химии. 2002;76(8):1351–1365. https://elibrary.ru/vefpfdSerafimov L.A. Thermodynamic and topological analysis of heterogeneous equilibrium diagrams of multicomponent mixtures. Russ. J. Phys. Chem. A. 2002;76(8):1211–1224. https://elibrary.ru/lhhgcb [Original Russian Text: Serafimov L.A. Thermodynamic and topological analysis of heterogeneous equilibrium diagrams of multicomponent mixtures. Zhurnal Fizicheskoi Khimii. 2002;76(8):1351–1365 (in Russ.). https://elibrary.ru/vefpfd]Иванова Л.В., Тимошенко А.В., Тимофеев В.С. Синтез схем экстрактивной ректификации азеотропных смесей. Теор. основы хим. технологии. 2005;39(1):19–26. https://elibrary.ru/hsgcpvIvanova L.V., Timoshenko A.V., Timofeev V.S. Synthesis of flowsheets for extractive distillation of azeotropic mixtures. Theor. Found. Chem. Eng. 2005;39(1):16–23. https://doi.org/10.1007/pl00022156 [Original Russian Text: Ivanova L.V., Timoshenko A.V., Timofeev V.S. Synthesis of flowsheets for extractive distillation of azeotropic mixtures. Teoreticheskie osnovy khimicheskoi tekhnologii. 2005;39(1):19–26 (in Russ.). https://elibrary.ru/hsgcpv ]Тимошенко А.В., Анохина Е.А., Иванова Л.В. Комплексы экстрактивной ректификации, включающие сложные колонны с частично связанными тепловыми и материальными потоками. Теор. основы хим. технологии. 2005;39(5):491–498. https://elibrary.ru/hswzvvTimoshenko A.V., Anokhina E.A., Ivanova L.V. Extractive distillation systems involving complex columns with partially coupled heat and material flows. Theor. Found. Chem. Eng. 2005;39(5):463–470. http://doi.org/10.1007/s11236-005-0103-7 [Original Russian Text: Timoshenko A.V., Anokhina E.A., Ivanova L.V. Extractive distillation systems involving complex columns with partially coupled heat and material flows. Teoreticheskie osnovy khimicheskoi tekhnologii. 2005;39(5):491–498 (in Russ.).https://elibrary.ru/hswzvv ]Бадьина Н.С., Воробьев Б.Л. Способ выделения бензола из высокоароматизированного сырья: пат. SU 1078837 СССР. Заявка № 3459933; заявл. 25.06.1982; опубл. 23.12.1987, Бюл. № 47.Bad’ina N.S., Vorob’ev B.L. Method for Isolating Benzene from Highly Aromatized Feedstock: USSR Pat. 1078837. Publ. 23.12.1987 (in Russ.).Анохина Е.А., Грачева И.М., Акишин А.Ю., Тимошенко А.В. Разделение смеси ацетон–хлороформ–н-бутанол с применением экстрактивной ректификации в схемах из двухотборных колонн. Тонкие химические технологии. 2017;12(5):34–46. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2017-12-5-34-46Anokhina E.A., Gracheva I.M., Akishin A.Yu., Timoshenko A.V. Acetone–chloroform–n-butanol mixture separation by the extractive distillation in schemes of two-outlet columns. Tonk. Khim. Tekhnol. = Fine Chem. Technol. 2017;12(5):34–46 (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2410-6593-2017-12-5-34-46

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