Экстрактивная ректификация смеси тетрагидрофуран–этилацетат–вода в схемах, включающих колонны с боковыми секциями и отборами

Цели. Провести оценку энергетической эффективности применения схем, включающих колонны с боковыми секциями и отборами, в процессе экстрактивной ректификации смеси тетрагидрофуран–этилацетат–вода с диметилсульфоксидом в качестве разделяющего агента.

Методы. Основным методом исследования являлся вычислительный эксперимент, реализуемый с применением программного комплекса Aspen Plus v. 12. Для моделирования парожидкостного равновесия было использовано уравнение локальных составов UNIQUAC. Параметрическая оптимизация всех рассмотренных в работе схем экстрактивной ректификации выполнялась по критерию суммарных энергетических затрат в кипятильниках колонн.

Результаты. С применением метода графов на основе базовой схемы двухступенчатой экстрактивной ректификации, состоящей из двухотборных колонн, синтезировано два варианта схем, включающих комплексы с частично связанными тепловыми и материальными потоками, и два варианта схем, включающих колонны с боковым отбором. Определены оптимальные рабочие параметры базовой схемы, а также всех полученных на ее основе схем. Схемы, включающие колонны с боковыми отборами, смоделированы в двух вариантах, а именно: с отбором бокового потока в паровой и в жидкой фазах. Проведена оценка энергоэффективности предложенных схем по сравнению с базовой схемой.

Выводы. Выявлено, что фазовое состояние бокового отбора мало влияет на суммарные энергозатраты в кипятильниках колонн, при этом количество жидкофазного бокового потока в 1.4–5.2 раза больше, чем парофазного. Установлено, что среди схем, включающих сложные колонны с боковой секцией, максимальное снижение энергозатрат на 5.9% относительно схемы из двухотборных колонн обеспечивает схема, в которой реализуется термическая связь между второй экстрактивной колонной и колонной регенерации разделяющего агента. Термическое связывание экстрактивных колонн дает существенно меньшую экономию энергозатрат (1.36%). Среди схем, включающих сложные колонны с боковым отбором, наибольшей энергоэффективностью (5.9%) характеризуется схема, в которой осуществляется отбор потока в паровой фазе из второй экстрактивной колонны в колонну регенерации.

1. Wittmann G., Karg E., Mühl A., Bodamer O.A., Túri S. Comparison of tetrahydrofuran and ethyl acetate as extraction solvents for urinary organic acid analysis. J. Inherit. Metab. Dis. 2008;31(1):73–80. https://doi.org/10.1007/s10545-007-0767-8

2. Yang A., Su Y., Shi T., et al. Energy-efficient recovery of tetrahydrofuran and ethyl acetate by triple-column extractive distillation: entrainer design and process optimization. Front. Chem. Sci. Eng. 2022;16(5):303–315. https://doi.org/10.1007/s11705-021-2044-z

3. Timoshenko A.V., Anokhina E.A., Morgunov A.V., Rudakov D.G. Application of the partially thermally coupled distillation flowsheets for the extractive distillation of ternary azeotropic mixtures. Chem. Eng. Res. Des. 2015;104(3): 139–155. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2015.07.007

4. Gerbaud V., Rodriguez-Donis I., Hegely L., Lang P., Denes F., You 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

5. Valdez J.A., Patino-Herrera R., Martinez A.A., Perez E. Separation of the cyclohexane-benzene mixture by the extractive distillation process using ethylene glycol as a solvent. Chem. Eng. Process. 2024;196:109686. https://doi.org/10.1016/j.cep.2024.109686

6. Rudakov D.G., Klausner P.S., Ramochnikov D.A., Anokhina E.A., Timoshenko A.V. Efficiency of heat pumps in extractive rectification of the allyl alcohol–allyl acetate mixture with different compositions of the feed: Part 1. Application of heat pumps in schemes with two-selection columns. Theor. Found. Chem. Eng. 2023;57(4):770–778. https://doi.org/10.1134/S0040579523040231

7. Ma J., Wang X., Zhou Y., Du Y., Wang B. Energy-saving process development for the purification of propylene glycol based on MVR heat pump distillation combined with thermally coupled technology. Sep. Purif. Technol. 2024;329:125064. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.125064

8. Wu T., Wang C., Liu J., Zhuang Y., Du J. Design and 4E analysis of heat pump-assisted extractive distillation processes with preconcentration for recovering ethyl-acetate and ethanol from wastewater. Chem. Eng. Res. Des. 2024;201:510–522. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2023.12.011

9. Клаузнер П.С., Рудаков Д.Г., Анохина E.А., Тимошенко А.В. Оценка энергетической эффективности схем неадиабатической ректификации смеси ацетон–толуол–н-бутанол с использованием экстрактивного агента в первой колонне. Тонкие химические технологии. 2023;18(1):7–20. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2023-18-1-7-20

10. Voinov N.A., Zemtsov D.A., Deryagina N.V., Bogatkova A.V., Zhukova O.P. A study of diabatic distillation in a column with a low pressure drop. Chem. Eng. Res. Des. 2022;185:1–13. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2022.06.033

11. Fang J., Li Z., Huang G., Li H., Li C. Externally heatintegrated multiple diabatic distillation columns (EHImx DC): Basic concept and general characteristics. Ind. Eng. Chem. Res. 2020;59(4):1668–1681. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.9b05841

12. Gutiérrez-Guerra R., Segovia-Hernández J.G. Novel approach to design and optimize heat-integrated distillation columns using Aspen Plus and an optimization algorithm. Chem. Eng. Res. Des. 2023;196:13–27. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2023.06.015

13. Pan C., Qiu X., Guo J., Liu Y., Feng B., Li G., Gai H., Song H., Xiao M., Huang T., Zhu Q. Efficient purification of n-butanol by thermally coupled extractive distillation with mixed entrainer. Sep. Purif. Technol. 2024;336:126365. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2024.126365

14. Анохина Е.А., Якутин Р.И., Тимошенко А.В. Очистка бензола от тиофена экстрактивной ректификацией с применением колонн с боковым отбором в паровой фазе. Теоретические основы химической технологии. 2021;55(5):578–586. https://doi.org/10.31857/S0040357121040011

15. Sun S., Fu L., Yang A., Shen W. An intensified energysaving architecture for side-stream extractive distillation of four-azeotrope mixtures considering economic, environmental and safety criteria simultaneously. Sep. Purif. Technol. 2023;310:123132. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.123132

16. Yang A., Kong Z.Y., Sunarso J., Su Y., Wang G., Zhu S. Insights on sustainable separation of ternary azeotropic mixture tetrahydrofuran/ethyl acetate/water using hybrid vapor recompression assisted side-stream extractive distillation. Sep. Purif. Technol. 2022;290:120884. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.120884

17. Head D.L., McCart C.G. The thermal decomposition of DMSO. Tetrahedron Lett. 1973;14(16):1405–1408. https://doi.org/10.1016/S0040-4039(01)95955-6

18. Yang J., Pan X., Yu M., Cui P., Ma Y., Wang Y., Gao J. Vapor-liquid equilibrium for binary and ternary systems of tetrahydrofuran, ethyl acetate and N-methyl pyrrolidone at pressure 101.3 kPa. J. Mol. Liq. 2018;268:19–25. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2018.07.038

19. Xie Q., Wan H., Guan G.F. Isobaric vapor-liquid equilibrium for tetrahydrofuran-water-n-hexane system. Chem. Eng. 2010;38(4):61–72.

20. Rajedran M., Renganarayanan S., Srinivasan D. Salt effect in phase equilibria and heat of mixing: effect of dissolved inorganic salts on the liquid-liquid equilibria of ethyl acetate-2-propanolwater system and the vapor-liquid equilibria and heat of mixing of its constituent binaries. Fluid Ph. Equilib. 1991;70(1): 65–106. https://doi.org/10.1016/0378-3812(91)85005-F

21. Sassa Y., Konishi R., Katayama T. Isothermal vaporliquid equilibrium data of DMSO [dimethyl sulfoxide] solutions by total pressure method. DMSO-acetone, DMSOtetrahydrofuran, and DMSO-ethyl acetate systems. J. Chem. Eng. Data. 1974;19(1):44–48. https://doi.org/10.1021/je60060a004

22. Zhang Z., Lv M., Huang D., Jia P., Sun D., Li W. Isobaric Vapor Liquid Equilibrium for the Extractive Distillation of Acetonitrile + Water Mixtures Using Dimethyl Sulfoxide at 101.3 kPa. J. Chem. Eng. Data. 2013;58(12):3364–3369. https://doi.org/10.1021/je400531a.