ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЭКСТРАКТИВНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ СМЕСИ ИЗОБУТИЛОВЫЙ СПИРТ – ИЗОБУТИЛАЦЕТАТ С БУТИЛПРОПИОНАТОМ В КАЧЕСТВЕ РАЗДЕЛЯЮЩЕГО АГЕНТА С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

ENERGY EFFICIENCY OF THE EXTRACTIVE DISTILLATION OF ISOBUTANOL – ISOBUTYL-ACETATE WITH N-BUTYL-PROPIONATE AS SOLVENT USING HEAT PUMPS

Pavel Klauzner

postgraduate of Chemistry and technology of basic organic synthesis Moscow Technological University,

Russia, Moscow

Roman Platonov

graduate student of Chemistry and technology of basic organic synthesis Moscow Technological University,

Russia, Moscow

Vyacheslav Khazov

student of Chemistry and technology of basic organic synthesis Moscow Technological University,

Russia, Moscow

Andrey Timoshenko

doctor of Science, professor of Chemistry and technology of basic organic synthesis Moscow Technological University,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается возможность использования тепловых насосов в экстрактивной ректификации смеси изобутиловый спирт – изобутилацетат с бутилпропионатом в качестве разделяющего агента. Рассмотрено четыре варианта схем с применением тепловых насосов в сравнении с традиционной схемой экстрактивной ректификации. Показано, что применение тепловых насосов в данном процессе позволяет значительно снизить энергетические затраты.

ABSTRACT

The possibility of using heat pumps in extractive distillation of a mixture of isobutyl alcohol - isobutyl acetate with butyl propionate as a extractive agent is considered in the article. Four variants of schemes with the use of heat pumps are considered in comparison with the traditional scheme of extractive distillation. It is shown that the use of heat pumps in this process can significantly reduce energy costs.

Ключевые слова: экстрактивная ректификация; тепловой насос; энергетическая эффективность.

Keywords: extractive distillation; heat pump; energy efficiency.

Список обозначений:

ИБС – изобутиловый спирт

ИБА – изобутилацетат

БП – бутилпропионат

РА – разделяющий агент

ЭК – экстрактивная колонна

РК – колонна регенерации

ВС ЭК – верхняя секция колонный экстрактивной ректификации

НС ЭК – нижняя секция колонный экстрактивной ректификации

Изобутилацетат (ИБА) используется в качестве растворителя лакокрасочных материалов, хлоркаучука, натуральных и синтетических смол, растительных масел, жиров и многих других веществ. В промы­шленности изобутилацетат получают этерификацией изобутилового спирта (ИБС) уксусной кислотой. Затем возникает потребность выделить ИБА из его смеси с ИБС. Данная смесь имеет азеотроп с минимумом температуры кипения при концентрации спирта 78,3 % (мас.) Для её разделения авторами [1] предложена экстрактивная ректификация с н-бутилпропионатом (БП), который увеличивает летучесть ИБС по отношению к ИБА.

Экстрактивная ректификация (ЭР) с тяжелокипящим разделяющим агентом является одним из наиболее распространенных способов разделения азеотропных и близкокипящих смесей, однако это достаточно энергоёмкий процесс. Одним из способов, которым можно снизить энергозатраты в процессе ЭР, является применение тепловых насосов.

Целью данного исследования является установление возможности применения тепловых насосов в процессе экстрактивной ректификации смеси ИБА-ИБС с БП в качестве разделяющего агента.

Было рассмотрено четыре варианта схем с тепловым насосом в сравнении с традиционной схемой экстрактивной ректификации (рис. 1): схема с парорекомрессионным тепловым насосом на экстрактивной колонне (рис. 2), схема с парорекомрессионным тепловым насосом на колонне регенерации РА (рис. 3), схема с двумя парорекомрессионными тепловыми насосами (рис. 4), схема с внутренним тепловым насосом (рис. 5).

Рисунок 1. Традиционная схема экстрактивной ректификации

Рисунок 2. Схема экстрактивной ректификации с применением теплового насоса на экстрактивной колонне

Рисунок 3. Схема экстрактивной ректификации с применением теплового насоса на колонне регенерации РА

Рисунок 4. Схема экстрактивной ректификации с применением тепловых насосов на двух колоннах

Рисунок 5. Схема экстрактивной ректификации с применением внутреннего теплового насоса

Для моделирования и оптимизации схем использовали програм­мный комплекс Aspen Plus. Для описания паро-жидкостного равновесия использовали модель UNIQUAC-RK, параметры для бинарной составляющей ИБС-ИБА взяты из базы данных программного комплекса, параметры ИБС-БП и ИБА-БП – из источника [1].

Таблица 1.

Энергетические затраты схем экстрактивной ректификации с применением тепловых насосов по сравнению с традиционной схемой

Критерием оптимизации при моделировании традиционной схемы экстрактивной ректификации являлась суммарная нагрузка на кипятильники колонн Q_кип.

Для сравнения энергозатрат принято приближение [2], что 1 кВт электроэнергии на привод компрессора экономически эквивалентен 3,5 кВт энергии греющего пара на нагрев кипятильников колонн.

Применение парорекомпрессионного теплового насоса на колонне экстрактивной ректификации позволяет снизить энергозатраты на ректификацию смеси ИБС-ИБА на 23,2 % по сравнению с традиционной схемой ректификации данной смеси, применение двух парорекомпрес­сионных тепловых насосов позволяет снизить энергозатраты на ректификацию на 27,6 %, а применение внутреннего теплового насоса позволяет снизить энергозатраты на 36,2 %.

Список литературы:

1. Munoz R., Monton J.B., Burguet M.C. Separation of isobutyl alcohol and isobutyl acetate by extractive distillation and pressure swing distillation: Simulation and optimization // Separation and Purification Technology. 2006. V. 50. P. 175-183. Spain.
2. Жильцов В.С. Разделение эвтектикообразующих смесей сочетанием дистил­ляции и фракционной кристаллизации с использованием тепловых насосов. Дисс. канд. техн. наук. – М.: МИТХТ им. М.В. Ломоносова. 2017. – 52 с.