Сравнительный анализ схем разделения жидких смесей, основанных на различных процессах и методах

Цели. При разработке схем разделения жидких смесей часто отдается предпочтение конкретному процессу или схеме. В редких случаях рассматривается не один, а несколько альтернативных вариантов разделения, чаще основанных на одном фазовом процессе, как правило, ректификации. Имеющиеся на сегодня обзорные работы по особенностям реализации того или иного приема разделения сконцентрированы на конкретном процессе: экстрактивная ректификация, сочетание ректификации и расслаивания, экстракция. Комплексные исследования по сравнению схем разделения смесей разной физико-химической природы, базирующихся на разных процессах и специальных методах, не проводились. Научные публикации в данной области представлены фрагментарно и относятся к определенным объектам исследования. Целью настоящей работы является сравнительный анализ процессов и методов разделения жидких смесей на основе критического обзора литературы и результатов собственных исследований.

Методы. Работа базируется на критическом анализе литературы и математическом моделировании фазовых равновесий на основе уравнений локальных составов с использованием свободно распространяемых программных комплексов.

Результаты. Проведен обзор научной литературы, на основе которого показаны достоинства и недостатки конкретных приемов разделения жидких смесей, преимущества и ограничения на сочетание в одной схеме различных процессов (в том числе в гибридных технологиях).

Выводы. Перспективными направлениями дальнейших исследований в области синтеза и сравнения схем разделения смесей органических продуктов за счет использования различных методов и процессов разделения являются: оценка эффективности применения различных процессов (экстракции, расслаивания, специальных приемов ректификации) на разных этапах разделения смеси различной компонентности; сравнительный анализ процессов экстрактивной и гетероазеотропной ректификации при разделении смесей разного исходного состава (выделение областей энергетического преимущества каждого процесса); оценка эффективности реализации схем, основанных на сочетании экстракции с другими процессами, в зависимости от стадии регенерации экстрагента.

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

3. Фролкова А.К. Разделение азеотропных смесей. Физикохимические основы и технологические приемы: монография. М.: ВЛАДОС; 2010. 192 с. ISBN 978-5-691-01743-8

4. Zhigang L., Chengyue L., Biaohua C. Extractive Distillation: A Review. Sep. Purif. Rev. 2003;32(2):121–213. https://doi.org/10.1081/SPM-120026627

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

6. Hilal N., Yousef G., Langston P. The reduction of extractive agent in extractive distillation and auto-extractive distillation. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification. 2002;41(8): 673–679. https://doi.org/10.1016/S0255-2701(01)00187-8

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

8. Раева В.М., Сазонова А.Ю., Себякин А.Ю., Кудрявцева Д.Ю. Критерий выбора потенциальных разделяющих агентов экстрактивной дистилляции. Тонкие химические технологии. 2011;6(4):20–27.

9. Фролкова А.В., Меркульева А.Д., Гаганов И.С. Синтез схем разделения расслаивающихся смесей: современное состояние проблемы. Тонкие химические технологии. 2018;13(3): 5–22. https://doi.org/10.32362/24106593-2018-13-3-5-22

10. Фролкова А.В., Фролкова А.К., Подтягина А.В., Спирякова В.В. Энергосбережение в схемах, основанных на сочетании ректификации и расслаивания. Теор. основы хим. технологии. 2018;52(5):489–496. https://doi.org/10.1134/S0040357118050032

11. Sosa J.E., Araújo J.M.M., Amado-González E., Pereiro A.B. Separation of azeotropic mixtures using protic ionic liquids as extraction solvents. J. Mol. Liquids. 2019;297:111733. https://doi.org/10.1016/j.molliq.2019.111733

12. Patel K., Panchal N., Ingle Dr.Pr. Review of Extraction Techniques Extraction Methods: Microwave, Ultrasonic, Pressurized Fluid, Soxhlet Extraction, Etc. International Journal of Advanced Research in Chemical Science (IJARCS). 2018;6(3):6–21. http://doi.org/10.20431/2349-0403.0603002

13. Silvestre Cr.I.C., Santos J.L.M., Lima J.L.F.C., Zagatto E.A.G. Liquid–liquid extraction in flow analysis: A critical review. Anal. Chim. Acta. 2009;652(1–2):54–65. https://doi.org/10.1016/j.aca.2009.05.042

14. Носов Г.А., Михайлов М.В., Абсаттаров А.И. Разделение смесей путем сочетания процессов ректификации и фракционной крислаллизации. Тонкие химические технологии. 2017;12(3): 44–51. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2017-12-3-44-51

15. Berry D.A, Ng K.M. Synthesis of crystallization-distillation hybrid separation processes. AIChE J. 1997;43(7):1751–1762. https://doi.org/10.1002/aic.690430712

16. Cisternas L.A., Vasquez C.M., Swaney R.E. On the Design of Crystallization-Based Separation Processes: Review and Extension. AIChE J. 2006;52(5):1754–1769. https://doi.org/10.1002/aic.10768

17. Серафимов Л.А. Современное состояние термодинамикотопологического анализа фазовых диаграмм. Теор. основы хим. технологии. 2009;43(3):284–294.

18. Kiss А.А., Suszwalak D. J-.P.C. Enhanced bioethanol dehydration by extractive and azeotropic distillation in dividing-wall columns. Sep. Purif. Technol. 2012;86:70–78. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2011.10.022

19. Frolkova A.V., Frolkova A.K., Gaganov I.S. Comparison of Extractive and Heteroazeotropic Distillation of HighBoiling Aqueous Mixtures. ChemEngineering 2022;6(5):83. https://doi.org/10.3390/chemengineering6050083

20. Chen Y.-Ch., Yu B.-Y., Hsu Ch.-Ch., Chien I-L. Comparison of heteroazeotropic and extractive distillation for the dehydration of propylene glycol methyl ether. Chem. Eng. Res. Des. 2016;111:184–195. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2016.05.003

21. 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. Comput. Chem. Eng. 2017;100:27–37 https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2017.02.007

22. Фролкова А.В., Фролкова А.К., Гаганов И.С. Комбинирование специальных приемов при разработке схем разделения смеси метанол + вода + метилметакрилат. Химическая технология. 2023;24(8):314–320. https://doi.org/10.31044/1684-5811-2023-24-8-314-320

23. Серафимов Л.А. Правило азеотропии и классификация многокомпонентных смесей VII. Диаграммы трехкомпонентных смесей. Журн. физ. химии. 1970;44(4):1021–1027.

24. Клинов А.В., Фазлыев А.Р., Хайруллина А.Р., Алексеев К.А., Латыпов Д.Р. Экстрактивная ректификация смеси этанол – вода с использованием этиленгликоля. Вестник технологического университета. 2023;26(1): 44–47. https://doi.org/10.55421/1998-7072_2023_26_1_44

25. Фролкова А.К., Фролкова А.В., Раева В.М., Жучков В.И. Особенности дистилляционного разделения многокомпонентных смесей. Тонкие химические технологии. 2022;17(3): 87–106. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2022-17-2-87-106

26. Frolkova A., Frolkova A., Gaganov I. Extractive and AutoExtractive Distillation of Azeotropic Mixtures. Chem. Eng. Technol. 2021;44(8):1397–1402. https://doi.org/10.1002/ceat.202100024

27. Luo H., Liang K., Li W., Ming Xia Y., Xu C. Comparison of PressureSwing Distillation and Extractive Distillation Methods for Isopropyl Alcohol/Diisopropyl Ether Separation. Ind. Eng. Chem. Res. 2014;53(39):15167–15182. https://doi.org/10.1021/ie502735g

28. Lladosa E., Montón J.B., Burguet M. Separation of di-n-propyl ether and n-propyl alcohol by extractive distillation and pressureswing distillation: Computer simulation and economic optimization. Chem. Eng. Process.: Process Intensif. 2011;50(11–12): 1266–1274. https://doi.org/10.1016/j.cep.2011.07.010

29. Wang X., Xie L., Tian P., Tian G. Design and control of extractive dividing wall column and pressure-swing distillation for separating azeotropic mixture of acetonitrile/N-propanol. Chem. Eng. Process.: Process Intensif. 2016;110:172–187. https://doi.org/10.1016/j.cep.2016.10.009

30. Ghuge Pr.D., Mali N.A., Joshi S.S. Comparative Analysis of Extractive and Pressure Swing Distillation for Separation of THF-Water Separation. Comput. Chem. Eng. 2017;103:188–200. http://dx.doi.org/10.1016/j.compchemeng.2017.03.019

31. MuñozR., Montón J.B., Burguet M.C., de laTorre J. Separation of isobutyl alcohol and isobutyl acetate by extractive distillation and pressure-swing distillation: Simulation and optimization. Sep. Purif. Technol. 2006;50(2):175–183. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2005.11.022

32. CaoY., HuJ., JiaH., BuG., ZhuZh., WangY. Comparison of pressureswing distillation and extractive distillation with varied-diameter column in economics and dynamic control. J. Process Control. 2017;49:9–25. https://doi.org/10.1016/j.jprocont.2016.11.005

33. Luyben W.L. Comparison of pressure-swing and extractivedistillation methods for methanol-recovery systems in the TAME reactive-distillation process. Ind. Eng. Chem. Res. 2005;44(15):5715–5725. https://doi.org/10.1021/ie058006q

34. Modla G., Lang P. Removal and Recovery of Organic Solvents from Aqueous Waste Mixtures by Extractive and Pressure Swing Distillation. Ind. Eng. Chem. Res. 2012;51(35): 11473–11481. https://doi.org/10.1021/ie300331d

35. Luyben W.L. Comparison of extractive distillation and pressure swing distillation for acetone-methanol separation. Ind. Eng. Chem. Res. 2008;47(8):2696−2707. https://doi.org/10.1021/ie701695u

36. LuybenW.L. Comparison of extractive distillation and pressure-swing distillation for acetone/chloroform separation. Comput. Chem. Eng. 2013;50:1–7. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2012.10.014

37. Hosgor E., Kucuk T., Oksal I.N., Kaymak D.B. Design and control of distillation processes for methanol–chloroform separation. Comput. Chem. Eng. 2014;67:166–177. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2014.03.026

38. Фролкова А.В., Шашкова Ю.И., Фролкова А.К., Маевский М.А. Сравнение альтернативных методов разделения смеси метилацетат – метанол – уксусная кислота – уксусный ангидрид. Тонкие химические технологии. 2019;14(5): 51–60. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2019-14-5-51-60

39. Qin Y., Zhuang Y., Wang Ch., Dong Y., Zhang L., Liu L., Du J. Comparison of Pressure-Swing Distillation and Extractive Distillation for the Separation of the Non-Pressure-Sensitive Azeotropes. In: Proceedings of the 24th Conference on Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction. 2021. URL: Comparison of Pressure-Swing Distillation and Extractive Distillation for the Separation of the Non-Pressure-Sensitive Azeotropes. Accessed September 08, 2025.

40. Раева В.М., Капранова А.С. Сравнение эффективности экстрактивных агентов при разделении смеси ацетон – метанол. Химическая промышленность сегодня. 2015;3:33–46.

41. Guang C., Shi X., Zhang Z., Wang C., Wang C., Gao J. Comparison of heterogeneous azeotropic and pressure-swing distillations for separating the diisopropylether/isopropanol/ water mixtures. Chem. Eng. Res. Design. 2019;143:249–260. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2019.01.021

42. Cui Y., Shi X., Guang C., Zhang Z., Wang C., Wang C. Comparison of pressure-swing distillation and heterogeneous azeotropic distillation for recovering benzene and isopropanol from wastewater. Process Saf. Environ. Protection. 2018;122:1–12. https://doi.org/10.1016/j.psep.2018.11.017

43. Tripodi A., Compagnoni M., Ramis G., Rossetti I. Pressureswing or extraction-distillation for the recovery of pure acetonitrile from ethanol ammoxidation process: A comparison of efficiency and cost. Chem. Eng. Res. Design. 2017;127: 92–102. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2017.09.018

44. Zhu Z., Wang Y., Hu J., Qi X., Wang Y. Extractive distillation process combined with decanter for separating ternary azeotropic mixture of toluene-methanol-water. Chem. Eng. Trans. 2017;61:763–768. https://doi.org/10.3303/CET1761125

45. Гаганов И.С., Белим С.С., Фролкова А.В., Фролкова А.К. Разработка схем разделения смеси получения фенола на основе анализа диаграмм фазового равновесия. Теор. основы хим. технологии. 2023;57(1):38–47. https://doi.org/10.31857/S0040357123010049

46. Новрузова А.Н., Фролкова А.В. Сравнение технологических схем разделения смеси ацетонитрил – вода, основанных на разных массообменных процессах. В сб.: Химия и химическая технология: достижения и перспективы: Сборник тезисов I Международной VII Всероссийской конференции. 2024. C. 0234.1–0234.6.

47. Yu B.-Y., Huang R., Zhong X.-Y., Lee M.-J., Chien I.-L. Energy-Efficient Extraction-Distillation Process for Separating Diluted Acetonitrile-Water Mixture: Rigorous Design with Experimental Verification from Ternary Liquid-Liquid Equilibrium Data. Ind. Eng. Chem. Res. 2017;56(51):15112–15121. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.7b04408

48. Mahdi T., Ahmad A. Nasef M.M., Ripin A. State-of-the-Art Technologies for Separation of Azeotropic Mixtures. Sep. Purif. Rev. 2015;44(4):308–330. https://doi.org/10.1080/15422119.2014.963607

49. Daviou M.C., Hoch P.M., Eliceche A.M. Design of membrane modules used in hybrid distillation/pervaporation systems. Ind. Eng. Chem. Res. 2004;43(13):3403–3412. https://doi.org/10.1021/ie034259c

50. Naidu Y., Malik R.K. A generalized methodology for optimal configurations of hybrid distillation–pervaporation processes. Chem. Eng. Res. Design. 2011;89(8):1348–1361. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2011.02.025

51. Kookos I.K. Optimal design of membrane/distillation column hybrid processes. Ind. Eng. Chem. Res. 2003;42(8): 1731–1738. https://doi.org/10.1021/ie020616s

52. Hoof V.V., Van den Abeele L., Buekenhoudt A., Dotremont C., LeysenR. Economic comparison between azeotropic distillation and different hybrid systems combining distillation with pervaporation for the dehydration of isopropanol. Sep. Purif. Technol. 2004;37(1): 33–49. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2003.08.003

53. Nangare D.M., Suseeladevi M. Hybrid pervaporation/ distillation process for ethanol – water separation effect of distillation column side stream. Asian J. Sci. Technol. 2017;8(11):6522–6525.

54. Koczka K., Mizsey P., Fonyo Zs. Rigorous modelling and optimization of hybrid separation processes based on pervaporation. Open Chemistry. 2005;5(4):1124–1147. https://doi.org/10.2478/s11532-007-0050-8

55. Han G.L., Zhang Q., Zhong J., Shao H. Separation of Dimethylformamide/H2O Mixtures Using Pervaporation-distillation Hybrid Process. Adv. Mater. Res. 2011;233–235:866–869. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.233-235.866

56. Hassankhan B., Raisi A. Separation of isobutanol/water mixtures by hybrid distillationpervaporation process: Modeling, simulation and economic comparison. Chem. Eng. Process.: Process Intensif. 2020;155:108071. https://doi.org/10.1016/j.cep.2020.108071

57. Zong Ch., Guo Q., Shen B., Yang X., Zhou H., Jin W. HeatIntegrated Pervaporation−Distillation Hybrid System for the Separation of Methyl Acetate−Methanol Azeotropes. Ind. Eng. Chem. Res. 2021;60(28):10327–10337. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.1c01513

58. Penkova A.V., Polotskaya G.A., Toikka A.M. Separation of acetic acid–methanol–methyl acetate–water reactive mixture. Chem. Eng. Sci. 2013;101:586–592. https://doi.org/10.1016/j.ces.2013.05.055

59. Тойкка А.М., Самаров А.А., Тойкка М.А. Фазовое и химическое равновесие в многокомпонентных флюидных системах с химической реакцией. Успехи химии. 2015;84(4):378–392. https://doi.org/10.1070/RCR4515

60. WangY., ZhangZ., Zhang H., Zhang Q. Control of heat integrated pressure-swing-distillation process for separating azeotropic mixture of tetrahydrofuran and methanol. Ind. Eng. Chem. Res. 2015;54(5):1646–1655. https://doi.org/10.1021/ie505024q

61. Zhu Z., Wang L., Ma Y., Wang W., Wang Y. Separating an azeotropic mixture of toluene and ethanol via heat integration pressure swing distillation. Comput. Chem. Eng. 2015;76: 137–149. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2015.02.016

62. Анохина Е.А., Тимошенко А.В. Синтез схем ректификации со связанными тепловыми и материальными потоками. Тонкие химические технологии. 2017;12(6):46–70. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2017-12-6-46-70

63. Анохина Е.А., Тимошенко А.В. Влияние количества и уровня бокового отбора на расход экстрактивного агента в комплексах экстрактивной ректификации с частично связанными тепловыми и материальными потоками. Теор. основы хим. технологии. 2023;57(2):177–187. https://doi.org/10.31857/S0040357123010013

64. YuB., Wang Q., XuC. Design and control of distillation system for methylal/methanol separation. Part 2: pressure swing distillation with full heat integration. Ind. Eng. Chem. Res. 2012;51(3):1293–1310. https://doi.org/10.1021/ie201949q

65. Shirsat S.P. Modeling, simulation and control of an internally heat integrated pressure swing distillation process for bioethanol separation. Comput. Chem. Eng. 2013;53:201–202. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2013.01.009

66. Liu G., Chen Z., Huang K., Shi Z., Chen H., Wang S. Studies of the externally heat-integrated double distillation columns (EHIDDiC). Asia-Pacific J. Chem. Eng. 2011;6(3):327–337. https://doi.org/10.1002/apj.566

67. Huang K., Liu W., Ma J., Wang S. Externally heat-integrated double distillation column (EHIDDiC): basic concept and general characteristics. Ind. Eng. Chem. Res. 2010;49(3): 1333–1350. https://doi.org/10.1021/ie901307j

68. Rudakov D.G., Klauzner P.S., Ramochnikov D.A., Anokhina E.A., Timoshenko A.V. Efficiency of Using Heat Pumps in the Extractive Rectification of an Allyl Alcohol– Allyl Acetate Mixture Depending on the Composition of the Feed. Part 2. Application of Heat Pumps in Column Complexes with Partially Coupled Heat and Material Flows. Theor. Found. Chem. Eng. 2024;58(1):192–201. https://doi.org/10.1134/S0040579524700337

69. Клаузнер П.С., Рудаков Д.Г., Анохина Е.А., Тимошенко А.В. Закономерности применения тепловых насосов в экстрактивной ректификации. Теор. основы хим. технологии. 2022;56(3):313–325. https://doi.org/10.31857/ S0040357122030071

70. Wang Y., Zhang Z., Xu D., Liu W., Zhu Z. Design and control of pressure-swing distillation for azeotropes with different types of boiling behavior at different pressures. J. Process. Control. 2016;42:59–76. https://doi.org/10.1016/j.jprocont.2016.04.006

71. Luyben W.L. Control comparison of conventional and thermally coupled ternary extractive distillation processes. Chem. Eng. Res. Des. 2016;106:253–262. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2015.11.021

72. Gil I.D., Gómez J.M., Rodríguez G. Control of an extractive distillation process to dehydrate ethanol using glycerol as entrainer. Comput. Chem. Eng. 2012;39:129–142. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2012.01.006

73. Qin J., Ye Q., Xiong X., Li N. Control of benzene-cyclohexane separation system via extractive distillation using sulfolane as entrainer. Ind. Eng. Chem. Res. 2013;52(31):10754–10766. https://doi.org/10.1021/ie401101c

74. Wei H.-M., Wang F., Zhang J.-L., Liao B., Zhao N., Xiao F., Wei W., Sun Y. Design and control of dimethyl carbonate-methanol separation via pressure-swing distillation. Ind. Eng. Chem. Res. 2013;52(33):11463–11478. https://doi.org/10.1021/ie3034976

75. Fan Z., Zhang X., Cai W., Wang F. Design and control of extraction distillation for dehydration of tetrahydrofuran. Chem. Eng. Technol. 2013;36(5):829–839. https://doi.org/10.1002/ceat.201200611