Сравнение схем экстрактивной ректификации смесей метанол–тетрагидрофуран–вода

Цели. Синтез и сравнительный анализ схем экстрактивной ректификации водных смесей растворителей фармацевтических производств на примере системы метанол–тетрагидрофуран–вода различного состава. Трехкомпонентная система содержит два минимально кипящих азеотропа, которые присутствуют в диапазоне существования парожидкостного равновесия. Для оценки селективного действия глицерина исследованы фазовые равновесия систем метанол–тетрагидрофуран–вода и метанол–тетрагидрофуран–вода–глицерин при 101.32 кПа.

Методы. Вычислительный эксперимент выполнен на платформе Aspen Plus V.9.0. Проведены расчеты фазовых равновесий по уравнению NRTL (Non-Random Two-Liquid) с параметрами бинарного взаимодействия базы данных программного комплекса. Для учета неидеального поведения паровой фазы использовали уравнение состояния Редлиха–Квонга. Расчеты схем экстрактивной ректификации проведены при 101.32 кПа.

Результаты. Предложены принципиальные технологические схемы разделения (I–IV), состоящие из трех (I–III) или четырех (IV) ректификационных колонн, работающих при атмосферном давлении. В схемах I, II проводилась экстрактивная ректификация базовых смесей с различным содержанием воды для выделения в дистиллатном потоке тетрагидрофурана. Дальнейшее разделение в схемах различалось очередностью выделения глицерина: в третьей колонне схемы I (традиционный трехколонный комплекс экстрактивной ректификации) или во второй колонне схемы II (двухколонный комплекс экстрактивной ректификации + колонна разделения метанола и воды). В схеме III предусмотрено полное обезвоживание базовых трехкомпонентных смесей с последующей экстрактивной ректификацией азеотропной системы метанол–тетрагидрофуран также с глицерином. Схема IV состоит из колонны концентрирования (частичного удаления воды) и традиционного комплекса экстрактивной ректификации.

Выводы. По критерию наименьших энергозатрат на разделение (суммарная нагрузка кипятильников ректификационных колонн) рекомендована схема I (традиционный комплекс экстрактивной ректификации). Дополнительно проведено сравнение энергозатрат схемы I при разделении смеси эквимолярного состава с другим селективным веществом – этиленгликолем, предложенным ранее в качестве агента. Глицерин является эффективным экстрактивным агентом, поскольку обеспечивает снижение энергозатрат более чем на 5%.

1. Фролкова А.К. Разделение азеотропных смесей. Физико-химические основы и технологические приемы. М.: ВЛАДОС; 2010. 192 с. ISBN 978-5-691-01743-8

2. Hilal N., Yousef G., Langston P. The reduction of extractive agent in extractive distillation and auto-extractive distillation. Chem. Eng. Process. 2002;41(8):673-679. https://doi.org/10.1016/S0255-2701(01)00187-8

3. Rodriguez-Donis I., Gerbaud V., Arias-Baretto A., Joulia X. Heterogeneous batch distillation processes for waste solvent recovery in pharmaceutical industry. Comp. Aid. Chem. Eng. 2009;27:1119-1124. https://doi.org/10.1016/S1570-7946(09)70407-9

4. Raeva V.M., Sazonova A.Yu. Separation of ternary mixtures by extractive distillation with 1,2-ethandiol and glycerol. Chem. Eng. Res. Design. 2015;99:125-131. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2015.04.032

5. Zhao L., Lyu X., Wang W., Shan J., Qiu T. Comparison of heterogeneous azeotropic distillation and extractive distillation methods for ternary azeotrope ethanol/toluene/water separation. Comp. Chem. Eng. 2017;100:27-37. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2017.02.007

6. Zhao T., Li M., Yang J., Ma K., Zhu Z., Wang Y. Separation of acetone/isopropyl ether/water ternary mixture via hybrid azeotropicextractive distillation. Chem. Eng. Trans. 2017;61:661-666. https://doi.org/10.3303/CET1761108

7. Wang Y., Bu G., Geng X., Zhu Z., Cui P., Liao Z. Design optimization and operating pressure effects in the separation of acetonitrile/methanol/water mixture by ternary extractive distillation. J. Clean. Prod. 2019;218:212-224. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.01.324

8. Ivanova 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/s11236-005-0022-7

9. Раева В.М., Сухов Д.И. Выбор экстрактивных агентов для разделения смеси хлороформ – метанол – тетрагидрофуран. Тонкие химические технологии. 2018;13(3):30-40. https://doi.org/10.32362/24106593-2018-13-3-30-40

10. Раева В.М., Громова О.В. Разделение смеси вода – муравьиная кислота – уксусная кислота в присутствии сульфолана. Тонкие химические технологии. 2019;14(4):24-32. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2019-14-4-24-32

11. Taylor M., Wankat P.C. Increasing the energy efficiency of extractive distillation. Separ. Sci. Tech. 2005;39(1):1-17. https://doi.org/10.1081/SS-120027398

12. Liang K., Li W., Luo H., Xia M., Xu C. Energy-efficient extractive distillation process by combining preconcentration column and entrainer recovery column. Ind. Eng. Chem. Res. 2014;53(17):7121-7131. https://doi.org/10.1021/ie5002372

13. An Y., Li W., Ye Li Y., Huang S., Ma J., Shen C., Xu C. Design/optimization of energy-saving extractive distillation process by combining preconcentration column and extractive distillation column. Chem. Eng. Sci. 2015;135:166-178. https://doi.org/10.1016/j.ces.2015.05.003

14. Han D., Chen Y. Combining the preconcentration column and recovery column for the extractive distillation of ethanol dehydration with low transition temperature mixtures as entrainers. Chem. Eng. Proc. - Proc. Intens. 2018;131:203-214. https://doi.org/10.1016/j.cep.2018.08.005

15. You X., Gu J., Gerbaud V., Peng C., Liu H. Optimization of pre-concentration, entrainer recycle and pressure selection for the extractive distillation of acetonitrile − water with ethylene glycol. Chem. Eng. Sci. 2018;177:354-368. https://doi.org/10.1016/j.ces.2017.11.035

16. Lara-Montaño O.D., Melendez-Hernández P.A., Bautista-Ortega R.Y., Hernández S., Delgado L.A. HernándezEscoto H. Experimental study on the extractive distillation based purification of second-generation bioethanol. Chem. Eng. Trans. 2019;74:67-72. https://doi.org/10.3303/CET1974012

17. Сазонова А.Ю., Раева В.М., Фролкова А.К. Способ разделения смесей растворителей метанол - тетрагидрофуран - ацетонитрил - вода - пиридин: РФ Пат. 2599132. Заявка № 2015125849/05; заявл. 30.06.2015; опубл. 10.10.2016. URL: https://findpatent.ru/patent/259/2599132.html

18. Gómez P., Gil I. Simulation of the tetrahydrofuran dehydration process by extractive distillation in Aspen Plus. Lat. Am. Appl. Res. 2009;39(4):275-284.

19. Fan Z., Zhang X., Cai W., Wang F. Design and control of extraction distillation for dehydration of tetrahydrofuran. Chem. Eng. Technol. 2013;36(5):829-839. https://doi.org/10.1002/ceat.201200611

20. Sazonova A.Y., Raeva V.M., Frolkova A.K. Design of extractive distillation process with mixed entrainer. Chem. Pap. 2016;70(5):594-601. https://doi.org/10.1515/chempap-2015-0247

21. Сазонова А.Ю. Выбор разделяющих агентов и закономерности экстрактивной ректификации смесей органических продуктов: дис. … канд. техн. наук. М., МИТХТ, 2015. 225 с.

22. Раева В.М., Капранова А.С. Сравнение эффективности экстрактивных агентов при разделении смеси ацетон - метанол. Хим. пром. сегодня. 2015;3:33-46.