Особенности ректификационного разделения многокомпонентных смесей

Цели. Совершенствование процесса разработки энергоэффективных схем ректификационного разделения многокомпонентных водных и органических смесей на основе комплексного исследования структуры фазовой диаграммы, в том числе в присутствии селективных дополнительных веществ.

Методы. Термодинамико-топологический анализ фазовых диаграмм; моделирование фазовых равновесий в программном комплексе AspenTech с использованием уравнений локальных составов Non-Random Two Liquid, Вильсона; вычислительный эксперимент по определению параметров работы колонн схем разделения модельных и реальных смесей разной природы.

Результаты. Выявлены условия фракционирования исходной многокомпонентной смеси за счет использования промежуточного заданного разделения, предварительного расслаивания, экстрактивной ректификации с индивидуальными и бинарными разделяющими агентами. Определены параметры работы колонн и энергозатраты схем разделения, обеспечивающие достижение требуемого качества продуктов при минимальных энергозатратах.

Выводы. С использованием разработанных ранее авторами оригинальных методик и на основе обобщения полученных результатов предложены новые подходы к синтезу энергоэффективных схем разделения многокомпонентных смесей. Сформулированы положения, которые составляют методологическую основу разработки принципиальных схем разделения многокомпонентных смесей и дополняют типовой план синтеза схем новыми процедурами.

1. Тимофеев В.С., Серафимов Л.А., Тимошенко А.В. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза. М.: Высшая школа; 2010. 408 с. ISBN 978-5-06-006067-6

2. Серафимов Л.А., Тимофеев В.С., Фролкова А.К. Качественные исследования технологических процессов и производств как этап их интенсификации на основе математического моделирования с помощью ЭВМ. Интенсификация технологий: материалы, технологии, оборудование. 2009:(6):9–32.

3. Жаров В.Т., Серафимов Л.А. Физико-химические основы дистилляции и ректификации. Л.: Химия, 1975. 240 с.

4. Frolkova A.V., Mayevskii M.A., Frolkova A.K., Pletnev D.B. Developing Energy-Efficient Technologies for Obtaining Organic Substances Based on a Comprehensive Study of the Reaction and Separation Constituents.Theor. Found. Chem. Eng . 2020;54(6):1215–1222. https://doi.org/10.1134/S0040579520060159

5. Фролкова А.К. Разделение азеотропных смесей. Физико-химические основы и технологические приемы.

6. Frolkova A.V., Akishina A.A., Maevskii M.A., Ablizin M.A. Flowsheets of multicomponent multiphase systems separation and material balance calculation features. Theor. Found. Chem. Eng. 2017;51(3):313–319. https://doi.org/10.1134/S0040579517030034

7. Фролкова А.К., Себякин А.Ю., Серафимов Л.А. Особенности ректификационного разделения многокомпонентных расслаивающихся смесей. Теоретические и практические аспекты разработки инновационных ресурсосберегающих технологий разделения жидких смесей: Материалы всероссийской научно-практической конференции. Барнаул. 2016. С. 28–31.

8. Lei Z., Xi X., Dai C., Zhu J., Chen B. Extractive Distillation with the Mixture of Ionic Liquid and Solid Inorganic Salt as Entrainers. AIChE J. 2014;60(8):2994–3004. https://doi.org/10.1002/aic.14478

9. You X.Q., 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

10. Wu Y., Chien I. Design and control of heterogeneous azeotropic column system for the separation of pyridine and water. Ind. & Eng. Chem. Res. 2009;48(23):10564–10576. https://doi.org/10.1021/ie901231s

11. Skiborowski M., Harwardt A., Marquardt W. Efficient optimization-based design for the separation of heterogeneous azeotropic mixtures. Comp. & Chem. Eng. 2015;72:34–51. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2014.03.012

12. Denes F., Lang P., Joulia X. Generalized closed double-column system for batch heteroazeotropic distillation. Sep. Purif. Technol. 2012;89:297–308. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2012.01.042

13. Hegely L., Gerbaud V., Lang P. Generalized model for heteroazeotropic batch distillation with variable decanter hold-up. Sep. Purif. Technol. 2013;115:9–19. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2013.04.031

14. Modla G.P., Lang B.K., Molnar K. Batch heteroazeotropic rectification under continuous entrainer feeding: I. Feasibility studies. Comp. Aided Chem. Eng . 2003;15:974–977. https://doi.org/10.1016/S1570-7946(03)80434-0

15. Tóth A.J., Szanyi A., Haaze E., Mizsey P. Separation of process wastewater with extractive heterogeneious – azeotropic distillation. Hungarian J. Ind. & Chem. 2016;44(1):29–32. https://doi.org/10.1515/hjic-2016-0003

16. 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;43(3):327–338. https://doi.org/10.1016/s0255-2701(03)00132-6

17. Benyounes H., Shen W., Gerbaud V. Entropy flow and energy efficiency analysis of extractive distillation with a heavy entrainer Ind. Eng. Chem. Res. 2014;53(12):4778–4791. https://doi.org/10.1021/ie402872n

18. Kraemer K., Harwardt A., Skiborowski M., Mitra S., Marquardt W. Shortcut-based design of multicomponent heteroazeotropic distillation. Chem. Eng. Res. & Design. 2011;89(8):1168–1189. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2011.02.026

19. Szanyi A., Mizsey P., Fonyó Z. Separation of highly non-ideal quaternary mixtures with extractive heterogeneous-azeotropic distillation. Chem. Biochem. Eng. Q. 2005:19(2):111–121.

20. 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(2):211–218.

21. Yus D., Moonyong L. Distillation design and optimization of quaternary azeotropic mixtures for waste solvent recovery. J. Ind. Eng. Chem. 2018;67:255–265. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2018.06.036

22. Gerbaud V., Rodríguez-Donis I. Distillation: Equipment and Processes. Charter 6. In: Gorak A., Oluji Z. (Eds.). Extractive Distillation. Academic Press; 2014. P. 201–245. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-386878-7.00006-1

23. Huang H.-H., Ramaswamy S., Tschirner U.W., Ramarao B.V. A review of separation technologies in current and future biorefinerirs. Sep. Purif. Technol. 2008;62(1):1–21. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2007.12.011

24. Zieborak K. On the quaternary azeotropes formed by paraffinic and naphthenic hydrocarbons with benzene, ethanol and water. Rocz. Chem. 1951;25(3):388–391.

25. Zieborak K., Galska A. A method for determining the composition of quaternary azeotropes and the position of heteroazeotropic lines. Bull. Acad. Pol. Sci. 1955;3(7):379.

26. Kominek-Szczepanik M. Four-component azeotropes. Rocz. Chem. 1959;33(2):553.

27. Imamura I., Kutsuwa Y., Matsuyama H. Reduction of the existing region of a quaternary azeotrope by use of a topological condition. Kagaku Kogaku Ronbunshu. 1992;18(4):535–538. https://doi.org/10.1252/kakoronbunshu.18.535

28. Wang Q., Yan X.-H., Chen G.-H., Han S.-J. Measurement and prediction of quaternary azeotropes for cyclohexane + 2-propanol + ethyl acetate + butanone system at elevated pressures. J. Chem. Eng. Data. 2003;48(1):66–70. https://doi.org/10.1021/je020091a

29. Galska-Krajewska A., Zieborak K. Quaternary positive-negative azeotrope. Rocz. Chem. 1962;36(1):119.

30. Zieborak K., Galska-Krajewska A. Quaternary positive-negative azeotrope. Bull. Acad. Pol. Sci. 1959;7(4):253.

31. Serafimov L.A., Frolkova A.K., Frolkova A.V. Poincaré integral invariants and separating manifolds of equilibrium open evaporation diagrams. Theor. Found. Chem. Eng. 2013;47(2):124–127. https://doi.org/10.1134/S0040579512060218

32. Охлопкова Е.А., Фролкова А.В., Фролкова А.К. Термодинамико-топологический анализ структуры фазовой диаграммы пятикомпонентной системы и синтез схемы разделения смеси органических продуктов. Химия и технология органических веществ. 2020;4(16):15–23. https://doi.org/10.54468/25876724_2020_4_15

33. Frolkova A.V., Makhnarilova E.G. Determination of separatric manifold structure of five-component system phase diagram. In: 22nd International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia (RCCT-2019): Book of Abstracts. Saint Petersburg, Russia, June 19-23; 2019. P. 250.

34. Frolkova A.V., Frolkova A.K., Ososkova T.E. Topological transformations of phase diagrams of quaternary systems through the boundary tangential azeotrope stage. Russ. Chem. Bull. 2020;69(11):2059–2066. https://doi.org/10.1007/s11172-020-3000-7

35. Пешехонцева М.Е., Маевский М.А., Гаганов И.С., Фролкова А.В. Области энергетического преимущества схем разделения смесей, содержащих компоненты с близкими летучестями. Тонкие химические технологии. 2020;15(3):7–20. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2020-15-3-7-20

36. Фролкова А.В., Маевский М.А., Фролкова А.К., Плетнев Д.Б. Разработка энергоэффективных технологий получения органических веществ на основе комплексного исследования реакционной и разделительной составляющей. Теор. основы хим. технологии. 2020;54(6):706–713. https://doi.org/10.31857/S0040357120060159

37. Фролкова А.В., Пешехонцева М.С., Гаганов И.С. Промежуточное заданное разделение при ректификации четырёхкомпонентных смесей. Тонкие химические технологии. 2018;13(3):41–48. https://doi.org/10.32362/24106593-2018-13-3-41-48

38. Frolkova A.V., Shashkova Y.I., Frolkova А.К., Mayevskiy М.A. Comparison of alternative methods for methyl acetate + methanol + acetic acid + acetic anhydride mixture separation. Fine Chem. Technol. 2019;14(5):51–60. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2019-14-5-51-60

39. Frolkova A.V., Logachev, Ososkova T.E. Separation of diethyl ether + hexane + ethyl acetate + ethanol quaternary system via extractive distillation. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2020;63(10):59–63. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20206310.6228

40. Рыжкин Д.А., Раева В.М. Анализ энергопотребления схем экстрактивной ректификации четырехкомпонентной смеси растворителей. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2021;64(6):47-55. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216406.6326

41. Raeva V.M., Stoyakina I.E. Selecting Extractive Agents on the Basis of Composition–Excess Gibbs Energy Data. Russ. J. Phys. Chem. A. 2021;95(9):1779–1790. https://doi.org/10.1134/S003602442109020X

42. Frolkova A.V., Mayevskiy M.A., Smirnov A.Yu. Phase Equilibrium of Systems Cyclohexene + Water + Cyclohexanone + N-Methyl-2-pyrrolidone (+Acetonitrile). J. Chem. Eng. Data. 2019;64(6):2888–2893. https://doi.org/10.1021/acs.jced.9b00245

43. Frolkova A.V., Mayevskiy M.A., Frolkova A.K. Analysis of Phase Equilibrium Diagrams of Cyclohexene + Water + Cyclohexanone + Solvent System. J. Chem. Eng. Data. 2018;63(3):679–683. https://doi.org/10.1021/acs.jced.7b00870

44. Serafimov L.A. Thermodynamical and topological analysis of liquid-vapor phase equilibrium diagrams and problems rectification of multicomponent mixtures. In: S.I. Kuchanov (Ed.). Mathematical Method in Contemporary Chemistry. Amsterdam: Gordon and Breach Publishers; 1996. Chapter 10. P. 557–605.

45. Frolkova A., Frolkova A., Gaganov I. The study of the extractive and auto‐extractive distillation of azeotropic mixtures. Chem. Eng. Technol. 2021;44(2):1397–1402. https://doi.org/10.1002/ceat.202100024

46. Okhlopkova E.A., Frolkova A.V. Comparative Analysis of Separation Schemes of Reaction Mixtures of Epichlorohydrin Production in the Presence of Various Solvents. Theor. Found. Chem. Eng. 2019;53(6):1028–1034. https://doi.org/10.1134/S0040579519060101

47. Фролкова А.В., Ососковa Т.Е., Фролкова А.К. Термодинамико-топологический анализ фазовых диаграмм четырехкомпонетных систем с внутренними особыми точками. Теор. основы хим. технологии. 2020;54(3):286–298. https://doi.org/10.31857/S0040357120020049

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

49. 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. Engineering. 2017;100:27–37. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2017.02.007

50. Zhao Y., Jia H., Geng X., Wen G., Zhu Z., Wang Y. Comparison of Conventional Extractive Distillation and Heat Integrated Extractive Distillation for Separating Tetrahydrofuran/Ethanol/Water. Chem. Eng. Transactions. 2017; 61:751–756. https://doi.org/10.3303/CET1761123

51. Yang A., Zou H., Chien I.L., Wang D., Shun’an W., Jingzheng R., Weifeng S. Optimal Design and Effective Control of Triple-Column Extractive Distillation for Separating Ethyl Acetate/Ethanol/Water with Multi-Azeotrope. Ind. Eng. Chem. Res. 2019;58(17):7265–7283. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.9b00466

52. Shi X., Zhu X., Zhao X., Zhang Z. Performance evaluation of different extractive distillation processes for separating ethanol/tert-butanol/water mixture. Process Safety and Environmental Protection. 2020;137:246–260. https://doi.org/10.1016/j.psep.2020.02.015

53. Zhaoyuan M., Dong Y., Jiangang Z., Huiyuan L., Chen Zhengrun C., Peizhe C., Zhaoyou Z., Lei W., Yinglong W., Yixin M., Jun G. Efficient recovery of benzene and n-propanol from wastewater via vapor recompression assisted extractive distillation based on techno-economic and environmental analysis. Process Safety and Environmental Protection. 2021;148:462–472. https://doi.org/10.1016/j.psep.2020.10.033