Энергосбережение в экстрактивной ректификации смеси изобутиловый спирт–изобутилацетат с бутилпропионатом

Цели. Определение эффективности применения тепловых насосов различного типа в экстрактивной ректификации смеси изобутиловый спирт–изобутилацетат с н-бутилпропионатом в качестве разделяющего агента.

Методы. Основной метод исследования – математическое моделирование в программном комплексе Aspen Plus V. 9. В качестве модели описания парожидкостного равновесия применялась основанная на уравнении локальных составов модель UNIQUAC, для учета неидеальности паровой фазы – модель Редлиха–Квонга. При моделировании традиционной схемы экстрактивной ректификации производилась параметрическая оптимизация по критерию суммарных энергетических затрат в кипятильниках колонн. Для экономической оценки применялись инструменты Aspen Process Economic Analyzer V10.1.

Результаты. В сравнении с традиционной схемой экстрактивной ректификации рассмотрено три варианта схемы с применением тепловых насосов открытого типа – с размещением теплового насоса на колонне экстрактивной ректификации, на колонне регенерации разделяющего агента и с размещением двух тепловых насосов на обоих колоннах схемы. Также предложена схема с внутренним тепловым насосом, в которой компрессор теплового насоса расположен между секциями экстрактивной колонны, которые работают при различных давлениях – 506.6 кПа в укрепляющей и экстрактивной секциях и 101.3 в отгонной. Была произведена экономическая оценка всех рассмотренных схем и вычисление полных приведенных затрат. Показано, что применение схем с тепловыми насосами открытого типа позволяет значительно, вплоть до 39.6%, снизить энергетические затраты на экстрактивную ректификацию, однако значительное снижение полных приведенных затрат достигается только при достаточно большом сроке функционирования установок. Снижение энергетических затрат в схеме с внутренним тепловым насосом составило 44%, а полных приведенных затрат – 20.2–30.1% в зависимости от времени функционирования установки.

Выводы. Показано, что применение тепловых насосов в процессе экстрактивной ректификации смеси изобутиловый спирт–изобутилацетат с бутилпропионатом в качестве разделяющего агента позволяет значительно снизить энергетические затраты. Наиболее экономичной из рассмотренных является схема с применением внутреннего теплового насоса.

1. King C.J. Separation processes. 2nd ed. N-Y: Dover Publications; 2013. 880 p.

2. Kiss A.A., Olujić Z. A review on process intensification in internally heat-integrated distillation columns. Chem. Eng. Process.: Process Intensification. 2014;86:125-144. https://doi.org/10.1016/j.cep.2014.10.017

3. Тимошенко А.В., Анохина Е.А., Рудаков Д.Г., Тимофеев В.С., Тациевская Г.И., Матюшенкова Ю.В. Энергосбережение в ректификации с использованием комплексов со связанными потоками. Вестник МИТХТ (Тонкие химические технологии). 2011;6(4):28-39.

4. Null H.R. Heat pumps in distillation. Chem. Eng. Prog. 1976;72(7):58-64.

5. Jana A.K. Heat integrated distillation operation. Appl. Energ. 2010;7(5):1477-1494. http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2009.10.014

6. Гайле А.А., Сомов В.Е. Процессы разделения и очистки продуктов переработки нефти и газа. СПб.: Химиздат; 2012. 376 с. ISBN 978-5-93808-199-4

7. Павлов С.Ю. Выделение и очистка мономеров для синтетического каучука. Л.: Химия; 1987. 232 с.

8. Meirelles A., Weiss S., Herfurth H. Ethanol dehydration by extractive distillation. J. Chem. Tech. Biotechnol. 1992;53(2):181-188. https://doi.org/10.1002/jctb.280530213

9. Arifin S., Chien 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;47(3):790-803. https://doi.org/10.1021/ie070996n

10. Luyben W.L. Comparison of Pressure-Swing Distillation and Extractive Distillation Methods for MethanolRecovery Systems in the TAME Reactive-Distillation Process. Ind. Eng. Chem. Res. 2005;44(15):5715-5725. https://doi.org/10.1021/ie058006q

11. Muñoz R., Montón J.B., Burguet M.C. Separation of isobutyl alcohol and isobutyl acetate by extractive distillation and pressure-swing distillation: Simulation and optimization. Sep. Purif. Technol. 2006;50(2):175-183. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2005.11.022

12. Luyben W.L. Comparison of Extractive Distillation and Pressure-Swing Distillation for Aceton-Methanol Separation. Ind. Eng. Chem. Res. 2008;47(8):2696-2707. https://doi.org/10.1021/ie701695u

13. Wang S.-J., Huang H.-P., Yu Ch.-Ch. Plantwide Design of Transesterification Reactive Distillation to CoGenerate Ethyl Acetate and n-Butanol. Ind. Eng. Chem. Res. 2010;49(2):750-760. https://doi.org/10.1021/ie901413c

14. Анохина Е.А. Энергосбережение в процессах экстрактивной ректификации. Вестник МИТХТ (Тонкие химические технологии). 2013;8(5):3-19.

15. You 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. Ener. 2016;166:128-140. http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.01.028

16. Тимошенко А.В., Анохина Е.А. Моделирование и оптимизация как инструмент разработки высоко эффективных технологических схем ректификации. Российский технологический журнал. 2017;5(3):138-150. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2017-5-3-138-150

17. Анохина Е.А., Шлейникова Е.Л., Тимошенко А.В. Энергоэффективность комплексов с частично связанными тепловыми и материальными потоками в экстрактивной ректификации смеси метилацетат – хлороформ в зависимости от применяемого экстрактивного агента. Вестник МИТХТ (Тонкие химические технологии). 2013;8(2):18-25.

18. Plesu V., Bonet-Ruiz A.E., Bonet J., Llorens J. Simple Equation for Suitability of Heat Pump Use in Distillation. Comput. Aided Chem. Eng. 2014;33:1327-1332. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63455-9.50056-8

19. Batista E., Meirelles A. Simulation and Thermal Integration SRV in Extractive Distillation Column. J. Chem. Eng. Jpn. 1997;30(1):45-51. https://doi.org/10.1252/jcej.30.45

20. Захаров М.К. Энергосберегающая ректификация. Учебное пособие. СПб: Издательство «Лань»; 2018. 252 с. ISBN 978-5-8114-2823-6

21. Luo H., Bildea C.S., Kiss. A.A. Novel Heat-PumpAssisted Extractive Distillation for Bioethanol Purification. Ind. Eng. Chem. Res. 2015;54(7):2208-2213. https://doi.org/10.1021/ie504459c

22. Shi L., Huang K., Wang S., Yu J., Yuan Y., Chen H., Wong D.S.H. Application of Vapor Recompression to Heterogeneous Azeotropic Dividing-Wall Distillation Columns. Ind. Eng. Chem. Res. 2015;54(46):11592-11609. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.5b02929

23. Patraşcu I., Bildea C.S., Kiss A.A. Eco-efficient Downstream Processing of Biobutanol by Enhanced Process Intensification and Integration. ACS Sustainable Chem. Eng. 2018;6(4):5452-5461. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.8b00320

24. Shi P., Zhang Q., Zeng A., Ma Y., Yuan X. Ecoefficient vapor recompression-assisted pressure-swing distillation process for the separation of a maximum-boiling azeotrope. Energy. 2020;196(1):117095. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.117095

25. Monton J.B., Munoz R., Burguet M.C., de la Torre J. Isobaric vapor–liquid equilibria for the binary systems isobutylalcohol + isobutyl acetate and tert-butyl alcohol + tert-butylacetate at 20 and 101.3 kPa. Fluid Phase Equilibria. 2005;227(1):19-25. https://doi.org/10.1016/j.fluid.2004.10.022