Анализ ректификационного разделения смеси H2O–D2O на легкую и тяжелую воду методом математического моделирования

Цели. Применение аналитического метода расчета ректификационной колонны для получения D₂O в двухколонной установке Куна, работающей под вакуумом. Моделирование установки Куна в программной среде Hysys. Сравнение экспериментальных и расчетных данных.

Методы. Аналитический метод расчета ректификационной колонны «от ступени к ступени» от нижней теоретической ступени разделения (ТСР) к верхней, основанный на фазовом равновесии на ТСР при известных исходных данных входных потоков и концентраций компонентов в кубе колонны. Среда моделирования Hysys.

Результаты. Сравнение результатов расчета с экспериментальными данными Куна свидетельствовало о высокой точности расчета равновесия фаз пар – жидкость для смеси H₂O–D₂O на ТСР. Сходимость материального баланса по D₂O по установке в целом составила 0.005%. Параметром идентификации являлся номер тарелки питания колонны. Моделирование установки Куна в среде Hysys показало качественное согласование концентраций D₂O в материальных потоках. Для расчета коэффициентов активности использована модель UNIversal QUAsiChemical (UNIQUAC). Найденные значения числа теоретических ступеней разделения (ЧТСР) в обеих колоннах с учетом ребойлера и конденсатора составляют 88 и 153, что меньше экспериментальных 295 и 400 соответственно. Расхождение объясняется повышенным значением константы фазового равновесия H2O модели UNIQUAC, однако сходимость материального баланса по D₂O высокая и составляет 1.38·10−6 %. Абсолютная погрешность найденных значений концентраций в материальных потоках не превышает 0.12 мол. %.

Выводы. Полученные результаты свидетельствуют о возможном применении среды моделирования Hysys для поиска и оптимизации режима работы структурной схемы каскада ректификационных колонн с прямыми и рецикловыми потоками для разделения смеси воды на легкую и тяжелую воду. Полученные конечные результаты по режиму работы, входным и выходным материальным потокам (расход, состав, температура, перепад давлений по колонне) рекомендовано использовать в аналитической программе расчета ректификационной колонны для уточнения ЧТСР и профиля распределения концентраций компонентов H₂O и D₂O по высоте колонны.

1. Plotnikova L.V., Chilikova I.I., Sitnikov S.Y., Ukhlin V.E., Efremov G.I., Kislov A.P. Computer model of the power system with inclusion of a heat pump in the process of separation. E3S Web of Conf. 2019;124:01032. https://doi.org/10.1051/e3sconf/201912401032

2. Sotelo D., Favela-Contreras A., Lozoya C., Beltran-Carbajal F., Dieck-Assad G., Sotelo C. Dynamic simulation of a crude oil distillation plant using Aspen-Hysys. Int. J. Simul. Model. 2019;18(2):229–241. https://doi.org/10.2507/IJSIMM18(2)465

3. Магометбеков Э.П., Белкин Д.Ю., Растунова И.Л., Сазонов А.Б., Селиваненко И.Л., Кулов Н.Н. Математическое моделирование и оптимизация каскада депротизации тяжеловодного замедлителя. Теор. основы хим. технологии. 2017;51(2):131–139. https://doi.org/10.7868/S0040357117020051

4. Короткова Т.Г., Касьянов Г.И. Метод расчета ректификационной колонны для разделения смеси легкой и тяжелой воды. Журн. физ. химии. 2021;95(5):800–809. https://doi.org/10.31857/S0044453721050186

5. Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии: в 2 ч.; пер. с англ. А.В. Беспалова, А.П. Жукова, В.В. Паукова. М.: Мир; 1989. Ч. 1. 301 с. Ч. 2. 360 с.

6. Alshbuki E.H., Bey M.M., Mohamed A.A. Simulation Production of Dimethylether (DME) from Dehydration of Methanol Using Aspen Hysys. Sch. Int. J. Chem. Mater. Sci. 2020;3(2):13–18. https://doi.org/10.36348/sijcms.2020.v03i02.002

7. Иванов И.В., Лотхов В.А., Кулов Н.Н. Моделирование процесса периодической экстрактивной ректификации. Теор. основы хим. технологии. 2017;51(3):239–247. https://doi.org/10.7868/S004035711703006X

8. Gil I.D., Uyazán A.M., Aguilar J.L., Rodríguez G., Caicedo L.A. Separation of ethanol and water by extractive distillation with salt and solvent as entrainer: process simulation. Braz. J. Chem. Eng. 2008;25(01):207–215. https://doi.org/10.1590/S0104-66322008000100021

9. Короткова Т.Г., Константинов Е.Н. Моделирование технологии получения пищевого спирта на брагоректификационной установке. Изв. вузов. Пищевая технология. 2012;1(325):108–111.

10. Jorge L.M.M, Polli P.A., Nicolin D.J., Jorge R.M.M., Paraíso P.R., Filho R.M. Simulation and analysis of an industrial column system of bioethanol distillation heated by vapor direct injection. ENGEVISTA. 2015;17(2):254–265. https://doi.org/10.22409/engevista.v17i2.657

11. Короткова Т.Г., Константинов Е.Н. Технология получения безводного этилового спирта азеотропным методом. Изв. вузов. Пищевая технология. 2013;1(331):72–76.

12. Bhattacharyya R, Bhanja K. Studies on the Dynamic Behaviour and Hydraulic Characteristics of a Water Distillation Column. Chem. Technol. Ind. J. 2018;13(2):125. URL: https://www.tsijournals.com/articles/studies-on-the-dynamic-behaviour-and-hydraulic-characteristics-of-a-water-distillation-column-13803.html

13. Крель Э. Руководство по лабораторной перегонке: пер. с нем. М.: Химия; 1980. 520 с.

14. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука; 1972. 720 с.

15. Волков А.И., Жарский И.М. Большой химический справочник. Минск: Современная школа; 2005. 608 с.

16. Розенкевич М.Б., Растунова И.Л. Теоретические основы процессов разделения изотопов. Взаимодействие изотопов водорода с конструкционными материалами. IHISM’14: Сборник докладов Пятой Международной конференции и Девятой Международной школы молодых ученых и специалистов им. А.А. Курдюмова. Саров: ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ»; 2015. С. 57–76. URL: http://book.sarov.ru/wp-content/uploads/2017/12/IHISM-14-5.pdf

17. Korotkova T.G., Kasyanov G.I., Baryshev M.G. Validation for adequacy description of the vapor-liquid phase equilibrium at the theoretical step when separating a mixture of light and heavy water by rectification. Egyptian J. Chem. 2022;65(2):591–595. https://doi.org/10.21608/ejchem.2021.94114.4433