Оценка энергетической эффективности схем неадиабатической ректификации смеси ацетон–толуол–н-бутанол с использованием экстрактивного агента в первой колонне

Цели. Исследовать эффективность применения различных вариантов организации процесса недиабатической ректификации при разделении смеси ацетон–толуол–н-бутанол экстрактивной ректификацией с диметилформамидом в схеме с использованием экстрактивного агента в первой колонне.
Методы. Математическое моделирование проводилось в программном комплексе Aspen Plus v. 12.1. Для моделирования парожидкостного равновесия применяли уравнение локальных составов Non-Random Two Liquid. Параметрическая оптимизация неадеабатических схем проводилась по критерию приведенных энергетических затрат.
Результаты. На основе схемы экстрактивной ректификации смеси ацетон–толуол–н-бутанол с использованием разделяющего агента в первой колонне было рассмотрено четыре варианта организации схем неадиабатической ректификации, как с применением повышения температуры потоков за счет сжатия в компрессоре, так и без него.
Выводы. Показано, что применение неадиабатических схем в экстрактивной ректификации смеси ацетон–толуол–н-бутанол с диметилформамидом позволяет снизить приведенные энергетические затраты на 11–17%, при этом максимальное снижение энергозатрат достигается в схеме с использованием компрессора. Однако эффективность схем без компрессора ниже незначительно, но технологическое оформление таких решений существенно проще.

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

3. 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;144:229–271. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2018.09.020

4. Chen D., Yuan X., Xu L, Yu K. T. Comparison between Different Configurations of Internally and Externally Heat- Integrated Distillation by Numerical Simulation. Ind. Eng. Chem. Res. 2013;52(16):5781–5790. https://doi.org/10.1021/ie400112k

5. Palacios-Bereche R., Ensinas A.V., Modesto M., Nebra S.A. Double-effect distillation and thermal integration applied to the ethanol production process. Energy. 2015;82:512–523. https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.01.062

6. 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

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

8. 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

9. 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;146:391–403. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2019.04.003

10. Anokhina E., Timoshenko A. Criterion of the energy effectiveness of extractive distillation in the partially thermally coupled columns. Chem. Eng. Res. Des. 2015;99:165–175. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2015.03.006

11. Hernández S. Analysis of energy-efficient complex distillation options to purify bioethanol. Chem. Eng. Technol. 2008;31(4):597–603. https://doi.org/10.1002/ceat.200700467

12. Gutiérrez-Guerra R., Segovia-Hernández J.G., Hernández S. Reducing energy consumption and CO2 emissions in extractive distillation. Chem. Eng. Res. Des. 2009;87(2):145–152. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2008.07.004

13. 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

14. Zhang X., Li X., Li G., Zhu Z., Wang Y., Xu D. Determination of an optimum entrainer for extractive distillation based on an isovolatility curve at different pressures. Sep. Purif. Technol. 2018;201:79–95. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2018.03.007

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

16. Xu Y., Li J., Ye Q., Li Y. Design and optimization for the separation of tetrahydrofuran/isopropanol/water using heat pump assisted heat-integrated extractive distillation. Sep. Purif. Technol. 2021;277:119498. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.119498

17. Xu Y., Li J., Ye Q., Li Y. Energy efficient extractive distillation process assisted with heat pump and heat integration to separate acetonitrile/1,4-dioxane/water. Process Saf. Environ. Prot. 2021;156:144–159. https://doi.org/10.1016/j.psep.2021.09.042

18. Klauzner P.S., Rudakov D.G., Anokhina E.A., Timoshenko A.V. Use of Partially Thermally Coupled Distillation Systems and Heat Pumps for Reducing the Energy Consumption in the Extractive Distillation of an Isobutanol–Isobutyl Acetate Mixture Using Dimethylformamide. Theor. Found. Chem. Eng. 2020;54(3):397–406. https://doi.org/10.1134/S0040579520030070

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

20. Mah R.S., Nicholas J.J., Wodnik R.B. Distillation with secondary reflux and vaporization: A comparative evaluation. AIChE J. 1977;23(5):651−658. https://doi.org/10.1002/aic.690230505

21. Jana A.K. Heat integrated distillation operation. Appl. Energy. 2010;87(5):1477–1494. https://doi.org/10.1016/j.ap-energy.2009.10.014

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

23. Naito K., Nakaiwa M., Huang K., Endo A., Aso K., Nakanishi T., et al. Operation of a bench-scale ideal heat integrated distillation column (HIDiC): An experimental study. Comput. Chem. Eng. 2000;24(2–7):495−499. https://doi.org/10.1016/S0098-1354(00)00513-5

24. Gadalla M., Jimenez L., Olujic Z., Jansens P.J. A thermohydraulic approach to conceptual design of an internally heat-integrated distillation column (i-HIDiC). Comput. Chem. Eng. 2007;31(10):1346−1354. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2006.11.006

25. Hugill J.A., Hugill A., Anthony H.J. System for stripping and rectifying a fluid mixture: World Pat. WO2003011418-A. Publ. 13.02.2003.

26. Nakaiwa M., Huang K., Owa M., Akiya T., Nakane T., Takamatsu T. Operating an ideal heat integrated distillation column with different control algorithms. Comput. Chem. Eng. 1998;22(Suppl. 1):389−393. https://doi.org/10.1016/S0098-1354(98)00079-9

27. Nova-Rincón A., Ramos M.A., Gómez J.M. Simultaneous optimal design and operation of a diabatic extractive distillation column based on exergy analysis. Int. J. Exergy. 2015;17(3):287–312. https://doi.org/10.1504/IJEX.2015.070500

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