РАЗДЕЛЕНИЕ СМЕСИ АЦЕТОН-ХЛОРОФОРМ-н-БУТАНОЛ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭКСТРАКТИВНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ В СХЕМАХ ИЗ ДВУХОТБОРНЫХ КОЛОНН

Рассмотрена экстрактивная ректификация смеси ацетон-хлороформ-н-бутанол с диметилформамидом в схемах из двухотборных колонн. Определены оптимальные по критерию суммарных энергетических затрат в кипятильниках колонн параметры трех схем экстрактивной ректификации данной смеси. Расчеты проводились в проектно-поверочном варианте на 1000 кг/ч исходной смеси с концентрацией ацетона, хлороформа и н-бутанола 71.3, 14.7 и 14.0% масс., соответственно. Концентрацию диметилформамида в потоке экстрактивного агента задавали равной 99.99% масс. Концентрация основного компонента в продуктовых потоках составляла 99.9% масс. для хлороформа и 99.5% масс. для ацетона и н-бутанола. Оптимизируемыми параметрами являлись: число тарелок в колоннах, температура и расход диметилформамида, флегмовые числа, потоки дистиллята и положение тарелок питания в колоннах. Для колонны экстрактивной ректификации дополнительно находили оптимальный уровень ввода экстрактивного агента. Ограничения на оптимизацию - качество продуктов разделения. Оптимизация проводилась в Aspen Plus с применением сочетания методов Sensitivity Analysis и последовательного квадратичного программирования (SQP). Установлено, что наименее энергоемким вариантом разделения является схема П5, в первой колонне которой осуществляется отделение н-бутанола, а азеотропообразующие компоненты (ацетон и хлороформ) затем разделяются в комплексе экстрактивной ректификации. Для двух других схем (П1 и П2), в которых диметилформамид применяется в первой по ходу разделения колонне, энергозатраты существенно выше, чем для схемы П5 - на 69.1% и на 49.3%, соответственно. Полученные данные в дальнейшем будут использованы для синтеза и оптимизации схем экстрактивной ректификации данной смеси, включающих комплексы со связанными тепловыми и материальными потоками, а также для оценки энергетической эффективности применения последних для разделения смеси ацетон-хлороформ-н-бутанол и получения критерия оценки энергетической эффективности использования комплексов со связанными тепловыми и материальными потоками в технологиях экстрактивной ректификации многокомпонентных смесей.

ректификация, тройные смеси, флегмовое число, минимальный паровой поток, внутреннее энергосбережение при ректификации

1. Тимошенко А.В., Анохина Е.А., Тимофеев В.С. Способ разделения смеси ацетон-хлороформ азеотропного состава экстрактивной ректификацией: пат. 2207896 Российская Федерация. № 2002107039; заявл. 21.03.2002; опубл.10.07.2003, Бюл. № 19. 4 с.

2. Lei Z.G., Zhou R.Q., Duan Z.T. Process improvement on separating C4 by extractive distillation // Chem. Eng. J. 2002. V. 85. P. 379-386.

3. Hernández S. Analysis of energy-efficient complex distillation options to purify bioethanol // Chem. Eng. Technol. 2008. V.31. № 4. P. 597-603.

4. Timoshenko 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. V. 39. № 5. P. 463-470.

5. Timoshenko A.V., Morgunov A.V., Anokhina E.A. Flowsheet synthesis for the extractive distillation of azeotropic mixtures in systems consisting of columns with partially coupled heat and material flows // Theor. Found. Chem. Eng. 2007. V. 41. № 6. P. 845-850.

6. Анохина Е.А., Долматов Б.Б., Тимошенко А.В. Энергетическая эффективность экстрактивной ректификации смеси ацетон-хлоpофоpм в сложной колонне с боковой секцией // Хим. технология. 2008. № 8. С. 402-407.

7. Анохина Е.А., Панкова И.А., Тимошенко А.В. Исследование эффективности применения сложных колонн с боковой укрепляющей секцией для экстрактивной ректификации смеси ацетон-метанол различного исходного состава // Хим. пром. сегодня. 2009. № 3. С. 44-49.

8. Анохина Е.А., Рудаков Д. Г. Тимошенко А.В. Энергетическая эффективность экстрактивной ректификации смеси изобутиловый спирт - изобутилацетат в зависимости от состава питания // Хим. технология. 2010. № 9. С. 549-556.

9. Анохина Е.А., Шлейникова Е.Л., Тимошенко А.В. Энергоэффективность комплексов с частично связанными тепловыми и материальными потоками в экстрактивной ректификации смеси метилацетатхлороформ в зависимости от применяемого экстрактивного агента // Вестник МИТХТ. 2013. Т. 8. № 2. С. 18-25.

10. Anokhina E.A., Timoshenko A.V. Criterion of the energy effectiveness of extractive distillation in the partially thermally coupled columns // Chem. Eng. Res. Des. 2015. V. 99. P. 165-175.

11. Ivanova L.V., Prokhorenkova N.M., Surkova E.A., Morgunov A.V., Timoshenko A.V., Timofeev V.S. Energy-saving technologies of autoextractive distillation of an acetone - chloroform - n-butanol - dimethylformamide mixture // Theor. Found. Chem. Eng. 2006. V. 40. № 6. P. 580-586.

12. Анохина 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 // Хим. пром. сегодня. 2015. № 3. С. 46-57.

13. Timoshenko A.V., Anokhina E.А., Morgunov А.V., Rudakov D.G. Application of the partially thermally coupled distillation flowsheets for the extractive distillation of ternary azeotropic mixtures // Chem. Eng. Res. Des. 2015. V. 104. P. 139-155.

14. Пирог Л.А. Оценка эффективности агентов при разделении неидеальных смесей экстрактивной ректификацией: дисс. … канд. техн. наук. М.: МИТХТ, 1987. 204 с.

15. Serafimov L.A. Thermodynamic and topological analysis of heterogeneous equilibrium diagrams of multicomponent mixtures // Rus. J. Phys. Chem. 2002. V. 76. № 8. P. 1211-1224.

16. Бенюнес Х. Закономерности разделения азеотропных смесей в присутствии селективных разделяющих агентов: дисс. … канд. техн. наук. М.: МИТХТ, 2002. 185 с.

17. Segura H., Mejia A., Reich R., Wisniak J., Loras S. Isobaric vapor-liquid equilibria and densities for the binary systems oxolane + ethyl 1,1-dimethylethyl ether, oxolane + 2-propanol and propan-2-one + trichloromethane // Phys. Chem. Liq. 2003. V. 41. № 3. P. 283-301.

18. Michalski H., Michalowski S., Serwinski M., Strumillo C. Vapor-liquid equilibria for system acetone - n-butanol // Zesz. Nauk. Politechn. Lodzk., Chem. 1961. № 36. P. 73-84.

19. Мишенева И.Н., Смирнова В.В., Сараев Б.А., Павлов С.Ю. Равновесие жидкость-пар в системах кетоны-диметилформамид // Пром. cинт. каучука. 1980. № 11. С. 2-3.

20. Subba Rao V.B., Venkata Rao C. Isopiestic binary vapor-liquid equilibria system chloroform (1)-n-butanol (2) // Chem. Eng. Sci. 1962. V.17. №7. P. 574-576.

21. Ivanova L.V., Timoshenko A.V., Timofeev V.S. Synthesis of flowsheets for extractive distillation of azeotropic mixtures // Theor. Found. Chem. Eng. 2005. V. 3. № 1. P. 16-23.

22. Arifin S., Chein I.-L. Design and control of an isopropyl alcohol dehydration process via extractive distillation using dimethtyl sulfoxide as an entrainer // Ind. Eng. Chem. Res. 2008. V. 47. №. 3. P. 790-803.

23. Wang S.-J., Huang H.-P., Yu Ch.-Ch. Plantwide design of transesterification reactive disstillation to cogenerate ethyl acetate and n-butanol // Ind. Eng. Chem. Res. 2010. V. 49. P. 750-760.

24. Emhamed A.M., Czuczai B., Rev E., Lelkes Z. Analysis of extractive distillation with mathematical programming // Ind. Eng. Chem. Res. 2008. V. 47. P. 9983-9995.

25. Kossack S., Kraemer K., Gani R., Marquardt W. A systematic synthesis framework for extractive distillation processes // Chem. Eng. Res. Des. 2008. V. 86. P. 781-792.

26. Garcia-Herreros P., Gomez J.M., Gil I.D., Rodrigues G. Optimization of the design and operation of an extractive distillation system for the production of fuel grade ethanol using glycerol as entrainer // Ind. Eng. Chem. Res. 2011. V. 50. P. 3977-3985.

27. Кафаров В.В., Ветохин В.Н., Бояринов А.И. Программирование и вычислительные методы в химии и химической технологии. М.: Наука, 1972. 488 c.

28. De Figueirêdo M.F., Guedes B.P., de Araújo J.M.M., Vasconcelos L.G.S., Romildo Pereira Brito R.P. Optimal design of extractive distillation columns - A systematic procedure using a process simulator // Chem. Eng. Res. Des. 2011. V. 89. P. 341-346.

29. Kiss A.A., Suszwalak D. J.-P.C. Enhanced bioethanol dehydration by extractive and azeotropic distillation in dividing-wall columns // Sep. Purif. Tech. 2012. V. 86. P. 70-78.

30. Kiss A.A., Ignat R.M. Innovative single step bioethanol dehydration in an extractive dividing-wall column // Sep. Purif. Tech. 2012. V. 98. P. 290-297.

31. Островский Г.М., Волин Ю.М., Зиятдинов Н.Н. Методы оптимизации химико-технологических процессов: учебное пособие. М.: КДУ, 2008. 424 с.