ENERGY SAVING IN EXTRACTIVE DISTILLATION

The basic approaches are considered to the creation of energy efficient flowsheets for extractive distillation (ED). A brief analysis of works dedicated to the choice of effective entrainer, of optimal ED flowsheets parameters and the use of certain special methods to reduce ED power consumption (heat exchange between the condensing and evaporating streams of various distillation columns, combination of the principle of heat pump and heat and cold supply stepped by the height of column). The focus is the development of energy-saving technologies on the base of the optimal structure of the schema partition identification. The classic ED flowsheets and ED flowsheets with partly coupled thermally and material flows (PTCDS). Algorithms are described for synthesis of flowsheets manifold based on the graph theory. ED flowsheets with PTCDS to separate mixtures of a number of industrial products are demonstrated such as C4 fraction of dehydrogenation ED with acetonitrile, aromatic separation from the reforming and vapor cracking factions with N-formylmorpholine, ethanol-water mixture with ethylene glycol. Analysis of the literature and the author's research showed that the energy efficiency of the PTCDS extractive distillation of various mixtures is quite different: energy consumption reducing in PTCDS can be small (~ 1.5%), such as ED mixtures of ethyl acetate-ethanol with dimethylsulfoxide, and may increases up to 20-30%, as at ED of the mixture acetone-chloroform with N,N-dimethylformamide. At the paper you will find original author's hypothesis about the causes of various energy efficiency of the PTCDS for various mixes separation by ED.

extractive distillation, energy saving, partially thermally coupled flow sheets.

1. Гайле А.А., Сомов В.Е. Процессы разделения и очистки продуктов переработки нефти и газа. - СПб.: Химиздат, 2012. 376 с.

2. Павлов С.Ю. Выделение и очистка мономеров для синтетического каучука. - Л.: Химия, 1987. 232 с.

3. Meirelles A., Weiss S., Herfurth, H. Ethanol dehydration by extractive distillation // J. Chem. Tech. Biotechnol. 1992. V. 53. Р. 181-188.

4. Arifin Saiful, Chien I-Lung. Design and control of an isopropyl alcohol dehydration process via extractive distillation using dimethtyl sulfoxide as an entrainer // Ind. Eng. Chem. Res. 2008. V. 47. № 3. Р. 790-803.

5. Luyben W.L. Comparison of pressure-swing distillation and extractive distillation methods for methanol-recovery systems in the TAME reactive-distillation process // Ind. Eng. Chem. Res. 2005. V. 44. № 15. Р. 5715-5725.

6. Muñoz R., Montón J.B., Burguet M.C. Separation of isobutyl alcohol and isobutyl acetate by extractive distillation and pressure-swing distillation: Simulation and optimization // Separation & Purification Technology. 2006. V. 50. P. 175-183.

7. Luyben W.L. Comparison of extractive distillation and pressure-swing distillation for aceton-methanol separation // Ind. Eng. Chem. Res. 2008. V. 47. № 8. Р. 2696-2707.

8. San-Jang Wang, Hsiao-Ping Huang, Cheng-Ching Yu. Plantwide design of transesterification reactive distillation to co-generate ethyl acetate and n-butanol // Ind. Eng. Chem. Res. 2010. V. 49. № 2. Р. 750-760.

9. Инютин С.М., Комарова Л.Ф., Гарбер Ю.Н. Автоматизированная система поиска разделя-ющего агента // Теор. основы хим. технологии. 1984. Т. 18. № 1. С. 102-104.

10. Алиев А.М. Выбор растворителей для разделения азеотропных систем и смесей близко-кипящих веществ // Теор. основы хим. технологии. 1986. Т. 20. № 5. С. 678-682.

11. Пирог Л.А., Павленко Т.Г., Фролкова А.К., Розенкевич С.Л., Тимофеев В.С. Оценка взаимо-связи селективности растворителей со свойствами индивидуальных компонентов / Деп. в ОНИИТЭХИМ 20.08.87, № 871-XII-87. 25 с.

12. Пирог Л.А., Фролкова А.К., Павленко Т.Г., Тимофеев В.С. Использование теплот смешения жидкостей для выбора и оценки селективности разделяющих агентов / Деп. В ОНИИТЭХИМ 20.08.87, № 869-XII-87. 10 c.

13. Gmehling J., Möllmann C. Synthesis of distillation process using thermodynamic models and the Dortmund data bank // Ind. Eng. Chem. Res. 1998. V. 37. № 8. P. 3112-3123.

14. Lladosa E., Monton J.B., Burguet M.C., Muños R. Phase equilibria involved in extractive distillation of dipropyl ether+1-propyl alcohol using 2-ethoxyethanol as entrainer // Fluid Phase Equilibria. 2007. V. 255. P. 62-69.

15. Kossack S., Kraemer K., Gani R., Marquardt W. A systematic synthesis framework for extractive distillation processes // Chem. Eng. Res. & Design. 2008. V. 86. Р. 781-792.

16. Songlin Xu, Huiyuan Wang. A new entrainer for separation of tetrahydrofuran-water azeotropic mixture by extractive distillation // Chem. Eng. & Processing. 2006. V. 45. № 11. Р. 954-958.

17. Серафимов Л.А., Фролкова А.К., Бушина Д.И. Ректификация азеотропных бинарных смесей с экстрактивным агентом // Теор. основы хим. технологии. 2008. Т. 2. № 5. С. 521-530.

18. Серафимов Л.А., Фролкова А.К., Челюскина Т.В. Подбор экстрактивных агентов при разделении биазеотропных бинарных смесей экстрактивной ректификацией // Теор. основы хим. технологии. 2009. Т. 43. № 6. С. 648-657.

19. Раева В.М., Себякин А.Ю., Сазонова А.Ю., Фролкова А.К. Выбор потенциальных разделя-ющих агентов для экстрактивной ректификации смеси циклогексан-бензол // Вестник МИТХТ. 2011. Т. 6. № 1. С. 43-53.

20. Раева В.М., Сазонова А.Ю., Себякин А.Ю., Кудрявцева Д.Ю. Критерий выбора потенциальных разделяющих агентов экстрактивной ректификации // Вестник МИТХТ. 2011. Т. 7. № 4. С. 20-27.

21. Коган В.Б. Азеотропная и экстрактивная ректификация. - Л.: Химия, 1971. 439 с.

22. Фролкова А.К. Разделение азеотропных смесей. Физико-химические основы и технологи-ческие приемы. - М.: Гуманитар. изд. центр ВЛАДОС, 2010. 192 с.

23. Zhigang Lei, Chengyue Li, Biaohua Chen. Extractive distillation: A review // Separation & Purification Rev. 2003. V. 32. № 2. Р. 121-213.

24. Челюскина Т.В. Теоретические основы ректификационного разделения биазеотропных смесей : автореф. дис. … д-ра техн. наук. - М., 2011. 48 с.

25. Knight W., Doherty M.F. Optimal design and synthesis of homogeneous azeotropic distillation sequences // Ind. Eng. Chem. Res. 1989. V.28. № 5. P. 564-572.

26. Hilal N., Yousef G., Langston P. The reduction of extractive agent in extractive distillation and auto-extractive distillation // Chem. Eng. & Processing. 2001. V. 41. Р. 673-679.

27. Langston P., Hilal N., Shingfield S., Webb S. Simulation and optimization of extractive distillation with water as solvent // Chem. Eng. & Processing. 2005. V. 44. Р. 345-351.

28. Gil I.D., Botia D.C., Ortiz P., Sanchez O.F. Extractive distillation of acetone/methanol mixture using water as entrainer // Ind. Eng. Chem. Res. 2009. V. 48. Р. 4858-4865.

29. Wang Q., Yu B., Xu Ch. Design and control of distillation system for methylal/methanol separation. Part 1: Extractive distillation using DMF as an entrainer // Ind. Eng. Chem. Res. 2012. V. 51. P. 1281-1292.

30. Emhamed A.M., Czuczai B., Rev E., Lelkes Z. Analysis of extractive distillation with mathematical programming // Ind. Eng. Chem. Res. 2008. V. 47. P. 9983-9995.

31. Garcia-Herreros P., Gomez J.M., Gil I.D., Rodrigues G. Optimization of the design and operation of an extractive distillation system for the production of fuel grade ethanol using glycerol as entrainer // Ind. Eng. Chem. Res. 2011. V.50. P. 3977-3985.

32. Фролкова А.К., Хахин Л.А. Энтропийная оценка ректификации бинарных смесей при различных вариантах расчета процесса // Вестник МИТХТ. 2008. Т. 3. № 2. С. 53-61.

33. Анохина Е.А., Долматов Б.Б., Тимошенко А.В. Энергетическая эффективность экстрактивной ректификации смеси ацетон-хлоpофоpм в сложной колонне с боковой секцией // Хим. технология. 2008. № 8. С. 402-407.

34. Анохина Е.А., Панкова И.А., Тимошенко А.В. Исследование эффективности применения сложных колонн с боковой укрепляющей секцией для экстрактивной ректификации смеси ацетон-метанол различного исходного состава // Хим. промышленность сегодня. 2009. № 3. С. 44-49.

35. Анохина Е.А., Рудаков Д.Г. , Тимошенко А.В. Энергетическая эффективность экстрактив-ной ректификации смеси изобутиловый спирт - изобутилацетат в зависимости от состава питания // Хим. технология. 2010. № 9. С. 549-556.

36. Knapp J.P., Doherty M.F. Thermal integration of homogeneous azeotropic distillation sequences // AIChE J. 1990. V. 36. № 7. P. 969-984.

37. Петлюк В.Б., Серафимов Л.А. Многокомпонентная ректификация. Теория и расчет. - М.: Химия, 1983. 303 с.

38. Batista E., Meirelles A. Simulation and thermal integration SRV in extractive distillation column // J. Chem. Eng. Jpn. 1997. V. 30. № 1. P. 45-51.

39. Петлюк Ф.Б., Платонов В.М., Аветьян В.С. Оптимальные схемы ректификации много-компонентных смесей // Хим. промышленность. 1966. № 11. С. 65-69.

40. Тимошенко А.В., Тимофеев В.С., Паткина О.Д. Оптимальные по энергозатратам схемы ректификации смесей бензола и алкилбензолов // Хим. промышленность. 1998. № 4. С. 41-44.

41. Буев Д.Л., Тимошенко А.В Оптимальные схемы разделения синтетических жирных кислот С5-С20 // Хим. промышленность. 2000. № 5. С. 24-27.

42. Тимошенко А.В., Глушаченкова Е.А., Осипова Т.А. Выбор оптимальной структуры блока разде-ления С4-С6 углеводородов газофракционирующих установок // Хим. промышленность. 1999. № 2. С. 49-52.

43. Manan Z.A., Banares-Alcantara R. A new catalog of the most promising separation sequences for homogeneous azeotropic mixtures. I. Systems without boundary crossing // Ind. Eng. Chem. Res. 2001. V. 40. P. 5795-5809.

44. Guanghong Li, Peng Bai. New operation strategy for separation of ethanol-water by extractive distillation // Ind. & Chem. Eng. Res. 2012. V. 51. P. 2723-2729.

45. Hernández S. Analysis of energy-efficient complex distillation options to purify bioethanol // Chem. Eng. Technol. 2008. V. 31. № 4. P. 597-603.

46. Пирог Л.А. Оценка эффективности агентов при разделении неидеальных смесей экстрактивной ректификацией : дис. … канд. техн. наук. - М., 1987. 204 с.

47. Бенюнес Хассиба. Закономерности разделения азеотропных смесей в присутствии селективных разделяющих агентов : дис. … канд. техн. наук. - М., 2002. 185 с.

48. Фролкова А.К. Разработка технологических схем разделения полиазеотропных смесей с использованием автоэкстрактивной ректификацией : дис. … канд. техн. наук. - М., 1980.

49. Бенюнес Хассиба, Раева В.М., Фролкова А.К. Особенности разделения многокомпонентных смесей в присутствии селективных растворителей / Сб. тезисов докладов VII Междунар. научно-техн. конф. «Наукоемкие химические технологии-2001» - 2-я школа молодых ученых. Ярославль, 2001. С. 35-37.

50. Иванова Л.В., Тимошенко А.В. Тимофеев В.С. Синтез схем экстрактивной ректификации азеотропных смесей // Теор. основы хим. технологии. 2005. Т. 39. № 1. С. 19-26.

51. Тимошенко А.В., Серафимов Л.А. Стратегия синтеза множества схем необратимой ректификации зеотропных смесей. // Теор. основы хим. технологии. 2001. Т. 35. № 6. С. 603-609.

52. Серафимов Л.А. Термодинамико-топологический анализ диаграмм гетерогенного равновесия многокомпонентных смесей // Журн. физ. химии. 2002. Т. 76. № 8. С. 1351-1365.

53. Иванова Л.В. Разработка термодинамически эффективных схем ректификации много-компонентных промышленных смесей : дис. … канд. техн. наук. - М., 2005. 166 с.

54. Тимошенко А.В., Паткина О.Д., Серафимов Л.А. Синтез технологических схем ректифика-ции, включающих сложные колонны // Хим. технология. 2001. № 6. С. 36-43.

55. Анохина Е.А. Разработка энергосберегающих технологий экстрактивной ректификации, включающих сложные колонны с боковой секцией : дис. … канд. техн. наук. - М., 2004. 317 с.

56. Тимошенко А.В., Анохина Е.А., Иванова Л.В. Комплексы экстрактивной ректификации, включающие сложные колонны с частично связанными тепловыми и материальными потоками // Теор. основы хим. технологии. 2005. Т. 39. № 5. С. 491-498.

57. Тимошенко А.В., Моргунов А.В., Анохина Е.А. Синтез схем экстрактивной ректификации азеотропных смесей в комплексах колонн с частично связанными тепловыми и материальными потоками // Теор. основы хим. технологии. 2007. Т. 41. № 6. С. 649-654.

58. Скворцова М.И., Тимошенко А.В., Рудаков Д.Г. Синтез технологических схем ректификации с частично связанными тепловыми и материальными потоками: зеотропные смеси // Теор. основы хим. технологии. 2011. Т. 45. № 1. C. 98-107.

59. Скворцова М.И., Тимошенко А.В., Рудаков Д.Г. Синтез технологических схем экстрактивной ректификации с частично связанными тепловыми и материальными потоками // Теор. основы хим. технологии. 2011. Т.45. № 6. С. 653-668.

60. Brito R.R., Maciel M.R.W., Meirelles A.A. New extractive distillation configuration for separating binary azeotropic mixtures / Materials of the First European Congress on Chemical Engineering. - Florence, Italy. May 4-7, 1997. V. 2. P. 1333-1336.

61. Анохина Е.А., Тимошенко А.В., Григорьева А.А. Способ обезвоживания этанола экстрактивной ректификацией с этиленгликолем : пат. 2454261 Российская Федерация. № 2009118124; заявл. 14.05.2009; опубл. 27.06.2012, Бюл. № 18, 5 с.

62. Тимошенко А.В., Анохина Е.А., Тимофеев В.С. Способ разделения смеси ацетон хлороформ азеотропного состава экстрактивной ректификацией : пат. 2207896 Российская Федерация. № 2002107039; заявл. 21.03.2002; опубл.10.07.2003, Бюл. № 19. 4 с.

63. Lei Z.G., Zhou R.Q., Duan Z.T. Process improvement on separating C4 by extractive distillation // Chem. Eng. J. 2002. V. 85. P. 379-386.

64. www.uhde.biz.

65. Gutiérrez-Guerra R., Segovia Hernández J.G., Hernández S. Reducing energy consumption and CO2 emissions in extractive distillation // Chem. Eng. Res. & Design. 2009. V.87. P. 145-152.

66. Долматов Б.Б. Области оптимальности исходных составов при экстрактивной ректификации : дис. … канд. техн. наук. - М., 2009. 205 с.

67. Рудаков Д.Г., Анохина Е.А., Тимошенко А.В. Энергоэффективность комплексов с частично связанными тепловыми и материальными потоками в экстрактивной ректификации // Хим. технология. 2013. Т. 14. № 3. С. 163-171.

68. Анохина Е.А., Сидорова Ю.И., Тимошенко А.В. Экстрактивная ректификация смеси ацетон - метанол с водой в комплексе с частично связанными тепловыми и материальными потоками // Вестник МИТХТ. 2011. Т. 6. № 5. С. 118-124.

69. Анохина Е.А., Тимошенко А.В., Новикова Е.Н. Влияние состава исходной смеси на энергетическую эффективность комплексов со связанными тепловыми и материальными потоками в экстрактивной ректификации смеси аллиловый спирт-аллилацетат / Материалы конф. РХТУ им. Д.И. Менделеева «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности». Москва, 2006. С. 41-42.

70. Анохина Е.А., Рудаков Д.Г., Тимошенко А.В. Экстрактивная ректификация смеси изобутиловый спирт - изобутилацетат с диметилформамидом // Хим. технология. 2011. Т. 12. № 10. С. 627-633.

71. Анохина Е.А., Шлейникова Е.Л., Тимошенко А.В. Энергоэффективность комплексов с частично связанными тепловыми и материальными потоками в экстрактивной ректификации смеси метилацетат - хлороформ в зависимости от применяемого экстрактивного агента // Вестник МИТХТ. 2013. Т. 8. № 2. С. 18-25.

72. Павленко Т.Г., Фролкова А.К., Ханина Е.П., Перфильева А.С., Тимофеев В.С. О роли флегмы в процессах экстрактивной и автоэкстрактивной ректификации // В сб. «Основной органический синтез и нефтехимия». - Ярославль: ЯПИ. Вып. 19. 1983. С. 76.

73. Иванова Л.В., Прохоренкова Н.М., Суркова Е.А., Моргунов А.В., Тимошенко А.В., Тимофеев В.С. Энергосберегающие технологии автоэкстрактивной ректификации смеси ацетон-хлороформ-н-бутанол-диметилформамид // Теор. основы хим. технологии. 2006. Т. 40. № 6. С. 621-627.

74. Моргунов А.В. Разработка энергосберегающих схем экстрактивной ректификации, содержащих комплексы с частично связанными тепловыми и материальными потоками : дис. … канд. техн. наук. - М., 2009. 191 с.

75. Береговых В.В., Корабельников М.М., Серафимов Л.А. Выбор оптимальной технологической схемы ректификации тройных зеотропных смесей // Хим.-фарм. журн. 1984. № 3. С. 350-354.

76. Береговых В.В., Корабельников М.М., Серафимов Л.А. Стратегия синтеза и анализа технологических схем ректификации // Хим.-фарм. журн. 1985. № 3. С. 202-206.