Preview

Тонкие химические технологии

Расширенный поиск

СИНТЕЗ СХЕМ РАЗДЕЛЕНИЯ РАССЛАИВАЮЩИХСЯ СМЕСЕЙ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

https://doi.org/10.32362/24106593-2018-13-3-5-22

Полный текст:

Аннотация

Представлен анализ современного состояния исследования структур схем разделения, основанных на сочетании ректификации и расслаивания, а также использовании гетероазеотропной ректификации. Показано, что работы зарубежных авторов, посвященные исследованию схем с сепараторами, в большей степени ориентированы на поиск путей снижения энергозатат путем введения дополнительных сепараторов, сочетания нескольких методов (экстрактивная и гетероазеотропная ректификация), использования сложных колонн с выносными сепараторами. Задача синтеза всего множества схем в этих работах не ставится. В настоящей работе синтезировано полное множество схем разделения различной структуры, основанных на сочетании ректификации и расслаивания, в том числе с использованием колонн с выносным сепаратором, для трехкомпонентных смесей вода - бутилацетат - метанол и метанол - гептан - вода. В качестве метода исследования выбрано математическое моделирование в программном комплексе AspenPlus с использованием уравнения локальных составов NRTL (относительная ошибка описания равновесий жидкость-пар и жидкость-жидкость не превышает 5%). Подобраны параметры работы ректификационных колонн(число теоретически тарелок, тарелка питания, флегмовое число) и определены суммарные энергозатраты, обеспечивающие получение веществ чистотой, отвечающих ГОСТ. Проведен сравнительный анализ схем различной структуры. Для систем пропанол-1 - вода - бутанол-1, этилацетат - вода - бутилацетат обоснована необходимость разновысотной подачи исходной смеси и разделяющего агента, обусловленная наличием экстрактивного эффекта. Аналитический обзор современных публикаций (2010-2017 гг.) и результаты собственных исследований позволили сформулировать ряд рекомендаций по синтезу энергоэффективных схем, основанных на сочетании ректификации и расслаивания.

Об авторах

А. В. Фролкова
МИРЭА - Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова)
Россия

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

119571, Россия, Москва, пр. Вернадского, 86

Researcher ID N-4517-2014



А. Д. Меркульева
МИРЭА - Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова)
Россия

студентка, кафедра химии и технологии основного органического синтеза

119571, Россия, Москва, пр. Вернадского, 86



И. С. Гаганов
МИРЭА - Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова)
Россия

студент, кафедра химии и технологии основного органического синтеза

119571, Россия, Москва, пр. Вернадского, 86



Список литературы

1. Тимофеев В.С., Серафимов Л.А., Тимошенко А.В. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза. М.: Высшая школа, 2010. 408 с.

2. Фролкова А.К. Разделение азеотропных смесей. Физико-химические основы и технологические приемы: монография. М.: Гуманитар. изд. центр «ВЛАДОС», 2010. 192 с.

3. Комиссаров Ю.А., Гордеев Л.С., Вент Д.П. Научные основы процессов ректификации / Под ред. Л.А. Серафимова. М.: Химия, 2004. 270 с.

4. Захаров М.К. Энергосберегающая ректификация. СПб., М., Краснодар: Лань СПб., 2018. 252 с.

5. Серафимов Л.А., Фролкова А.К. Фундаментальный принцип перераспределения полей концентрации между областями разделения как основа для создания технологических комплексов // Теор. основы хим. технологии. 1997. Т. 31. № 2. С. 193-201.

6. Сторонкин А.В. Термодинамика гетерогенных систем: в 2-х ч. Л.: Изд-во ЛГУ, 1967. 442 с.

7. Сторонкин А.В. Термодинамика гетерогенных систем. Ч. 3 Л.: Изд-во ЛГУ, 1969. 189 с.

8. Huang Hua Jiang, Ramaswamy Shri, Tschirner U.W., Ramarao B.V. A review of separation technologies in current and future biorefineries // Separation and Purification Technology. 2008. V. 62. № 1. P. 1-21.

9. Pokhrel Manish, Owusu Asante Daniel, Cho Jung Ho. Three column configuration for the separation of IPA-water using by heteroazeotropic distillation // Int. J. Appl. Eng. Res. 2016. V. 11. № 12. P. 7767-7771.

10. Jungho Cho, Jong-Ki Je. Optimization study on the azeotropic distillation process for isopropyl alcohol dehydration // Korean J. Chem. Eng. 2006. V. 23. № 1.P. 1-7.

11. Laroche L., Bekiaris N., Andersen H.W., Morari M. The curious behaviour of homogeneous azeotropic distillation-implications for entrainer selection // AIChE Journal. 1992. V. 38. № 9. P. 1309-1328.

12. Bekiaris N., Guttinger E. G., Morari M. Multiple steady states in distillation: Effect of VL(L) E inaccuracies // AIChE Journal. 2000. V. 46. № 5. P. 955-979.

13. Magnussen T.M., Michelsen L., Fredenslund A.A. Azeotropic distillation using UNIFAC // Chem. Eng. Progr. Symp. Ser. 1979. V. 56. № 4. P. 4.2/1-4.2/19.

14. Rovaglio M., Doherty F.M. Dynamics of heterogeneous azeotropic distillation columns // AIChe Journal. 1990 V. 36. № 1. P. 39-52.

15. Wang C.J., Wong D.S., Chien I.-L., Shih R.F., Wang S.J., Tsai C.S. Experimental investigation of multiple steady states and parametric sensitivity in azeotropic distillation // Comp. & Chem. Eng. 1997. V. 21. P. 535-540.

16. Luyben W.L. Control of the heterogeneous azeotropic n-butanol/water // Energy & Fuels. 2008. V. 22. № 6. P. 4249-4258.

17. Wu Y., Chien I. design and control of heterogeneous azeotropic column system for the separation of pyridine and water // Ind. & Eng. Chem. Res. 2009. V. 48. № 23. P. 10564-10576.

18. Lao M.Z., Taylor R. Modeling mass-transfer in 3-phase distillation // Ind. & Eng. Chem. Res. 1994. V. 33. № 11. P. 2637-2650.

19. Higler A., Chande R., Taylor R., Baur R., Krishna R. Non-equilibrium modeling of three-phase distillation // Comp. & Chem. Eng. 2004. V. 28. № 10. P. 2021-2036.

20. Junqueira T.L., Dias M.O.S., Maciel Filho R., Maciel M.R.W., Rossel C.E.V. Simulation of the azeotropic distillation for anhydrous bioethanol production: Study on the formation of a second liquid phase // Comp. Aided Chem. Eng. 2009. V. 27. P. 1143-1148.

21. Prayoonyong P. Conceptual design of heterogeneous azeotropic distillation process for ethanol dehydration using 1-butanol as entrainer // Maejo Int. J. Sci. & Technol. 2014. № 8. P. 334-347.

22. Franco J.P., Lladosa E., Loras S., Monton J.B. Thermodynamic analysis and process simulation of ethanol dehydration via heterogeneous azeotropic distillation // Ind. Eng. Chem. Res. 2014. № 53. P. 6084-6093.

23. Franke M.B. MINLP optimization of a heterogeneous azeotropic distillation process: Separation of ethanol and water with cyclohexane as an entrainer // Comp. & Chem. Eng. 2016. V. 89. P. 204-221.

24. Zhao L., Lyu X., Wang W., Qiu J.S.T. Comparison of heterogeneous azeotropic distillation and extractive distillation methods for ternary azeotrope ethanol/toluene/water separation // Comp. & Chem. Eng. 2017. V. 100. P. 27-37.

25. Devi V.K.P.J., Sai P.S.T., Balakrishnan A.R. Heterogeneous azeotropic distillation for the separation of n-propanol+water mixture using n-propyl acetate as entrainer // Fluid Phase Equilib. 2017. V. 447. P. 1-11.

26. Skiborowski M., Harwardt A., Marquardt W. Efficient optimization-based design for the separation of heterogeneous azeotropic mixtures // Comp. & Chem. Eng. 2015. V. 72. P. 34-51.

27. Baelen G.V., Vreysen S., Gerbaud V., Rodriguez-Donis I., Geens J., Janssens B. Isopropyl alcohol recovery by heteroazeotropic batch distillation // In: European Meeting on Chemical Industry and Environment EMChiE. May 17-19, 2010. Mechelen, Belgium. P. 979-986.

28. Kraemer K., Harwardt A., Skiborowski M., Mitra S., Marquardt W. Shortcut-based design of multicomponent heteroazeotropic distillation // Chem. Eng. Res. & Design. 2011. V. 89. № 8. P. 1168-1189.

29. Pokhrel M., Owusu Asante D., Cho J.H. Threecolumn configuration for the separation of IPA-water using by heteroazeotropic distillation // Int. J. Appl. Eng. Res. 2016. V. 11. № 12. P. 7767-7771.

30. Denes F., Lang P., Joulia X. Generalized closed double-column system for batch heteroazeotropic distillation // Separation and Purification Technology. 2012. V. 89. P. 297-308.

31. Huang X., Zhong W., Du W., Qian F. Thermodynamic analysis and process simulation of an industrial acetic acid dehydration system via heterogeneous azeotropic distillation // Ind. Eng. Chem. Res. 2013. № 52. P. 2944-2957.

32. Hegely L., Gerbaud V., Lang P. Generalized model for heteroazeotropic batch distillation with variable decanter hold-up // Separation and Purification Technology. 2013. V. 115. P. 9-19.

33. Chilev C., Lamari F.D., Dicko M., Simeonov E. Investigation of acetic acid dehydration by various methods // J. Chem. Technol. & Metallurgy. 2016. V. 51. № 1. P. 73-84.

34. Zhu Z., Wang Y., Hu J., Qi X., Wang Y. Extractive distillation process combined with decanter for separating ternary azeotropic mixture of toluenemethanolwater // Chem. Eng. Trans. 2017. V. 61. P. 763-768.

35. Królikowski A.R., Królikowski L.J., Wasylkiewicz S.K. Distillation profiles in ternary heterogeneous mixtures with distillation boundaries // Chem. Eng. Res. & Design. 2011. V. 89. № 7. P. 879-893.

36. Frolkova A.V., Frolkova A.K., Podtyagina A.A., Spiryakova V.V. Energy efficiency in flowsheets based on a combination of distillation and splitting processes // Proceed. of the 44th Int. Conf. of SSCHE. May 22-26, 2017. Tatranske Matliare, Slovakia. P. 461-466.

37. Глазко И.Л., Мартыненко Е.А., Леванова С.В., Соколов А.Б. Способ очистки циклогексанона: пат. 2523011 Рос. Федерация. № 2012144159/04; заявл. 16.10.2012; опубл. 27.04.2014, Бюл. № 12. 8 с.

38. Frolkova A.V., Vityukov S.A., Frolkova A.K. The separation of ternary system isopropyl alcohol - 1.2-dichloroethane - water in rectification complex with florentine vessel // Book of Abstracts of XV Int. Sci. Conf. «High-Tech in Chemical Engineering-2014». September 22-26, 2014. Zvenigorod, Moscow region, Russia. P. 37.

39. Modla G.P., Lang B.K., Molnar K. Batch heteroazeotropic rectification under continuous entrainer feeding: I. Feasibility studies // Comp. Aided Chem. Eng. 2003. № 15. P. 974-977.

40. Vityukov S.A., Frolkova А.К., Frolkova A.V. Estimation of energy consumption on separation of mixtures in complexes based on a combination of rectification and splitting processes // Book of Abstracts of XVI Int. Sci. Conf. «High-Tech in Chemical Engineering-2016». October 10-15, 2016. Moscow, Russia. Р. 68.

41. Wu Y.C., Hsu C.S., Huang H.-P., Chien I-L. Design and control of a methyl methacrylate separation process with a middle decanter // Ind. & Eng. Chem. Res. 2011. V. 50. № 8. P. 4595-4607.

42. Себякин А.Ю., Фролкова А.К. Взаимосвязь диаграммы фазового равновесия и структур схем разделения многофазных четырехкомпонентных смесей // Тонкие хим. технологии. 2016. Т. 11. № 4. С. 5-14.

43. Овчарова А.В. Разработка технологии получения эпихлоргидрина: автореф. дис. … канд. хим. наук. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2012. 16 с.

44. Охлопкова Е.А., Серафимов Л.А., Фролкова А.В. Разделение многокомпонентной системы, образующейся в производстве эпихлоргидрина // Тонкие хим. технологии. 2016. Т. 11. № 6. С. 36-42.

45. Клейменова М.Н., Комарова Л.Ф., Лазуткина Ю.С. Технология переработки жидких отходов растворителей в производстве кремнийорганических эмалей // Экология и промышленность России. 2014. № 4. С. 11-15.

46. Клейменова М.Н., Комарова Л.Ф., Лазуткина Ю.С. Создание ресурсосберегающих технологий в производстве кремнийорганических эмалей на основе ректификации // Химия в интересах устойчивого развития. 2013. № 21. С. 211-218.

47. Фролкова А.В., Акишина А.А., Фролкова А.К. Многокомпонентные системы с трехфазным расслаиванием // Тонкие хим. технологии. 2016. Т. 11. № 6. С. 15-27.

48. Фролкова А.К. Разработка технологических схем разделения полиазеотропных смесей с использованием автоэкстрактивной ректификации: дис. …канд. техн. наук. М.: МИТХТ, 1980. 130 c.

49. Слюсарева Л.Ю., Береговых В.В., Львов С.В. Выбор технологической схемы разделения продуктов совместного получения стирола и окиси пропилена // Промышленность синтетического каучука. 1979. № 5. С. 2-4.

50. Фролкова А.В., Фролкова А.К., Челюскина Т.В. Разделение четырехкомпонентной системы ацетон - хлороформ - этанол - вода автоэкстрактивно-гетероазеотропной ректификацией // Вестник МИТХТ. 2010. Т. 5. № 6. С. 27-31.

51. Toth A.J., Szanyi A., Haaze E., Mizsey P. Separation of process wastewater with extractive heterogeneious - azeotropic distillation // Hungarian J. Ind. & Chem. 2016. № 44. P. 29-32.

52. Szanyi A., Mizsey P., Fonyo Z. Novel hybrid separation processes for solvent recovery based on positioning the extractive heterogeneous azeotropic distillation // Chem. Eng. Proc. 2004. V. 43. № 3. P. 327-338.

53. Szanyi A., Mizsey P., Fonyo Z. Optimization of nonideal separation structures based on extractive heterogeneous azeotropic distillation // Ind. Eng. Chem. Res. 2004. V. 43. № 26. P. 8269-8274.

54. Szanyi A., Mizsey P., Fonyo Z. Separation of highly non-ideal quaternary mixtures with extractive heterogeneous-azeotropic distillation // Chem. Biochem. Eng. Q. 2005. V. 19. № 2. P. 111-121.

55. Szanyi A. Separation of non-ideal quaternary mixtures with novel hybrid processes based on extractive heterogeneous-azeotropic distillation: Anstracts of Ph.D. Thesis. Budapest: Budapest University of Technology and Economics, 2005. 19 p.

56. Hilmen E.K. Separation of azeotropic mixtures: Tools for analysis and studies on batch distillation operation: Dr.Sc. (Eng.) Thesis. Trondheim, Norway: Norwegian University of Science and Technology, 2000. 288 p.

57. Ciric A.R., Mumtaz H.S., Corbett G., Reagan M.T., Seider W.D., Fabiano L.A., Kolesar D.M., Widagdo S. Azeotropic distillation with an internal decanter // Comp. & Chem. Eng. 2000. V. 24. № 11. P. 2435-2446.

58. Stichlmair J., Fair J.R. Distillation: Principles and Practices. New York: Wiley, 1998. 544 p.

59. Prayoonyong P. Synthesis and design of ternary heterogeneous azeotropic distillation processes including advanced complex column configurations: Ph.D. Thesis. Manchester, UK: The University of Manchester, 2009. 240 p.

60. Анохина Е.А. Энергосбережение в процессах экстрактивной ректификации // Вестник МИТХТ. 2013. Т. 8. № 5. С. 3-19.

61. Frolkova A.K., Krupinova O.N., Zhuchkov V.I. Energy saving separation of azeotropic mixtures in complexes with directed recycle // Proceed. of the 43rd Int. Conf. of SSCE. May 23-27, 2016. Slovakia. P. 516-521.

62. Moussa A.S., Jiménez L. Entrainer selection and systematic design of heterogeneous azeotropic distillation flowsheets // Ind. Eng. Chem. Res. 2006. V. 45. № 12. P. 4304-4315.

63. Серафимов Л.А. Правило азеотропии и классификация многокомпонентных смесей VII. Диаграммы трехкомпонентных смесей // Журн. физ. химии. 1970. Т. 44. № 4. С. 1021-1027.

64. Фролкова А.В., Фролкова А.К., Клиндухова А.Г., Витюков С.А. Особенности расчета материального баланса ректификационного комплекса с флорентийским сосудом // Тонкие хим. технологии. 2015. Т. 10. № 4. С. 22-28.

65. Фролкова А.В., Аблизин М.А., Маевский М.А., Фролкова А.К. Поливариантность расчета материальных балансов схем разделения трехкомпонентных смесей различной физико-химической природы // Тонкие хим. технологии. 2016. T. 11. № 3. С. 47-57.

66. Frolkova A.V., Akishina A.A., Maevskii M.A., Ablizin M.A. Flowsheets of multicomponent multiphase systems separation and material balance calculation features // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2017. V. 51. № 3. P. 313-319.

67. Kato M., Konishi H., Hirata M. J. New apparatus for isobaric dew and bubble point method methanol + water, ethyl acetate + ethanol, water + 1-butanol, and ethyl acetate + water systems // Chem. Eng. Data. 1970. V. 15. P. 435-339.

68. Hirata M., Hirose Y., Kagaku K. Vapor-liquid equilibria of ternary system water - acetic acid - n-butyl acetate // Chem. Eng. 1966. V. 30. P. 121-127.

69. Iwakabe K., Kosuge H. Isobaric vapor-liquidliquid equilibria with a newly developed still // Fluid Phase Equilib. 2001. № 192. P. 171-186.

70. Tochigi K., Inoue H., Kojima K. Determination of azeotropes in binary systems at reduced pressures // Fluid Phase Equilib. 1985. V. 22. P. 343-352.

71. Richon, D., Viallard A. Water/ester systems. Solubility studies // Fluid Phase Equilib. 1985. V. 21. P. 279-293.

72. Santos G.R., Souza D.C., Aznar M.J. Liquidliquid equilibria of water + 1-butanol + amino acid (glycine or DL-alanine or L-leucine) at 313.15 K // Solution Chem. 2014. V. 43. P. 2101-2116.

73. Katayama H., Ichikawa M. Liquid-liquid equilibria of three ternary systems: Methanolheptane including 1,3-dioxolane, 1,4-dioxane and tetrahydropyran in the range of 253.15 to 303.15 K // Chem. Eng. Jpn. 1995. V. 28. P. 412-418.


Для цитирования:


Фролкова А.В., Меркульева А.Д., Гаганов И.С. СИНТЕЗ СХЕМ РАЗДЕЛЕНИЯ РАССЛАИВАЮЩИХСЯ СМЕСЕЙ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. Тонкие химические технологии. 2018;13(3):5-22. https://doi.org/10.32362/24106593-2018-13-3-5-22

For citation:


Frolkova A.V., Merkulyeva A.D., Gaganov I.S. SYNTHESIS OF FLOWSHEETS FOR SEPARATION OF MULTIPHASE MIXTURES: STATE OF THE ART. Fine Chemical Technologies. 2018;13(3):5-22. (In Russ.) https://doi.org/10.32362/24106593-2018-13-3-5-22

Просмотров: 74


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2410-6593 (Print)
ISSN 2686-7575 (Online)