Оптимальные режимы бокового отбора в системах экстрактивной ректификации с тепловым насосом при разделении смеси аллиловый спирт–аллилацетат с бутилпропионатом

Цели. Исследовать влияние режимов бокового отбора на энергетическую эффективность комплекса с частично связанными тепловыми и материальными потоками (ЧСТМП) с тепловым насосом (ТН) открытого типа в экстрактивной ректификации смеси аллиловый спирт–аллилацетат с н-бутилпропионатом и выявить условия, при которых совместное применение комплекса с ЧСТМП совместно с ТН наиболее эффективно.
Методы. Математическое моделирование в программном комплексе Aspen Plus V10. Для моделирования парожидкостного равновесия применяли уравнение локальных составов модель Non-Random Two Liquid, а для учета неидеальности паровой фазы – модель Редлиха-Квонга. При моделировании традиционной схемы экстрактивной ректификации и комплекса с ЧСТМП проводили параметрическую оптимизацию по критерию суммарных энергетических затрат в кипятильниках колонн. Для экономической оценки применяли инструменты Aspen Process Economic Analyzer V10.1.
Результаты. Для экстрактивной ректификации смеси 30 мас. % аллилового спирта и 70 мас. % аллилацетата с н-бутилпропионатом в качестве разделяющего агента показано, что минимум энергозатрат достигается при одинаковом уровне и количестве бокового отбора как для варианта комплекса с ЧСТМП с ТН, так и без него. Снижение энергетических затрат относительно традиционной схемы для комплекса без ТН составляет 20%, а с ТН – 38%. Была произведена экономическая оценка наилучших вариантов по сравнению с традиционной схемой экстрактивной ректификации. Показано, что применение комплекса c ЧСТМП с ТН имеет преимущество только при длительных сроках эксплуатации.
Выводы. Показано, что для экстрактивной ректификации смеси аллиловый спирт–аллилацетат оптимальные режимы бокового отбора при совместном применении комплекса с ЧСТМП с ТН открытого типа и комплекса с ЧСТМП без ТН совпадают.

1. Григорьев А.А., Кацман Е.А. Аллилацетат и синтезы на его основе. Катализ и нефтехимия. 2001;7:27–39.

2. Анохина Е.А., Кардона К., Писаренко Ю.А., Саксонова О.И., Пономарев В.Н. Основные этапы разработки совмещенных процессов на примере НСРРП получения аллилового спирта бутанолизом аллилацетата. Часть 1. Хим. пром. 1996;9:3–9.

3. Анохина Е.А., Кардона К., Писаренко Ю.А., Саксонова О.И., Пономарев В.Н. Основные этапы разработки совмещенных процессов на примере НСРPП получения аллилового спирта бутанолизом аллилацетата. Часть 2. Хим. пром. 1996;11:689–693.

4. Клаузнер П.С., Рудаков Д.Г., Анохина Е.А., Тимошенко А.В. Применение комплекса с частично связанными тепловыми и материальными потоками и тепловых насосов в экстрактивной ректификации смеси аллиловый спирт – аллилацетат с н-бутилпропионатом. Химия и технол. орг. вещ. 2020;4(16):42–56.

5. You X., Rodriguez-Donis I., Gerbaud V. Improved design and efficiency of the extractive distillation process for acetone–methanol with water. Ind. Eng. Chem. Res. 2015;54(1):491–501. https://doi.org/10.1021/ie503973a

6. Luyben W.L. Distillation column pressure selection. Sep. Purif. Technol. 2016;168:62–67. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2016.05.015

7. Luyben W.L. Control of heat-integrated extractive distillation processes. Comp. Chem. Eng. 2018;111:267–277. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2017.12.008

8. Tiverios P.G., van Brunt V. Extractive distillation solvent characterization and shortcut design procedure for methylcyclohexane–toluene mixtures. Ind. Eng. Chem. Res. 2000;39(6):1614–1623. https://doi.org/10.1021/ie990654k

9. Петлюк Ф.Б., Серафимов Л.А. Многокомпонентная ректификация, теория и расчет. М.: Химия; 1983. 304 с.

10. Петлюк Ф.Б., Платонов B.M., Славинский Д.М. Термодинамически оптимальный способ разделения многокомпонентных смесей. Хим. пром. 1965;3:206–211.

11. Тимошенко А.В., Моргунов А.В., Анохина Е.А. Синтез схем экстрактивной ректификации азеотропных смесей в комплексах колонн с частично связанными тепловыми и материальными потоками. Теор. основы хим. технол. 2007;41(6):649–654.

12. Анохина Е.А. Энергосбережение в процессах экстрактивной ректификации. Вестник МИТХТ. 2013;8(5):3–19.

13. Wang C., Guang C., Cui Y., Wang C., Zhang Z. Compared novel thermally coupled extractive distillation sequences for separating multi-azeotropic mixture of acetonitrile/ benzene/methanol. Chem. Eng. Res. Des. 2018;136:513–528. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2018.06.017

14. Gutierrez-Guerra R., Segovia-Hernández J.G., Hernandez S., Bonilla-Petriciolet A., Hernández H. Design and Optimization of Thermally Coupled Extractive Distillation Sequences. Comp. Aid. Chem. Eng. 2009;26:189–194. https://doi.org/10.1016/S1570-7946(09)70032-X

15. Yang A., Sy Y, Chien I.L., Jin S., Yan C., Wei S., Shen W., et al. Investigation of an energy-saving double-thermally coupled extractive distillation for separating ternary system benzene/toluene/cyclohexane. Energy. 2019;186:115756. https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.07.086

16. Anokhina E., Timoshenko A. Criterion of the energy effectiveness of extractive distillation in the partially thermally coupled columns. Chem. Eng. Res. Des. 2015;99:65–175. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2015.03.006

17. Anokhina E.A., Timoshenko A.V., Akishin A.Y., Remizova A.V. Benzene purification from thiophene using dimethylformamide as an entrainer in thermally coupled extractive distillation columns. Chem. Eng. Res. Des. 2019;146(5):391–403. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2019.04.003

18. Gerbaud V., Rodriguez-Donis I., Hegelyc L., Langc P., Denis F., Youe X.Q. Review of extractive distillation. Process design, operation, optimization and control. Chem. Eng. Res. Des. 2019;141:229–271. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2018.09.020

19. 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. App. Energy. 2016;166:128–140. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.01.028

20. 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

21. Wang C., Zhuang Y., Liu L., Zhang L., Du J. Heat pump assisted extractive distillation sequences with intermediateboiling entrainer. App. Therm. Eng. 2021;186:116511. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.116511

22. Gu J., You X., Tao C., Li J. Analysis of heat integration, intermediate reboiler and vapor recompression for the extractive distillation of ternary mixture with two binary azeotropes. Chem. Eng. Process. 2019;142:107546. https://doi.org/10.1016/j.cep.2019.107546

23. Aurangzeb Md., Jana A.K. Vapor recompression with interreboiler in a ternary dividing wall column: Improving energy efficiency and savings, and economic performance. App. Therm. Eng. 2018;147:1009–1023. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2018.11.008

24. 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. 2011;6(4):28–39.

25. Plesu V., Bonet-Ruiz A.E., Bonet J., Llorens J. Simple equation for suitability of heat pump use in distillation. Comp. Aided Chem. Eng. 2014;33:1327–1332. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63455-9.50056-8

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

27. Shi P., Zhang Q., Zeng A., Ma Y., Yuan X. Eco-efficient vapor recompression-assisted pressure-swing distillation process for the separation of a maximum-boiling azeotrope. Energy. 2020;196(13):117095. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.117095

28. Reay D.A., Macmichael D. Heat pumps. Design and applications. UK: Pergamon Press; 1979. 302 р.

29. Kiss A.A., Ferreira C.A. Heat Pumps in Chemical Process Industry. US-FL: CRC Press; 2016. 442 р. https://doi.org/10.1201/9781315371030