ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ЭКСТРАКТИВНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ С ТЕПЛОВЫМИ НАСОСАМИ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ ИЗОБУТИЛОВЫЙ СПИРТ–ИЗОБУТИЛАЦЕТАТ И АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ РЕЖИМОВ ИХ РАБОТЫ

TECHNOLOGICAL SCHEMES OF EXTRACTIVE DISTILLATION WITH HEAT PUMPS FOR SEPARATION OF ISBUTYL ALCOHOL-ISBUTYL ACETATE MIXTURE AND ANALYSIS OF THEIR OPERATION STABILITY

Danila Rudakov

Candidate of Science, Associate Professor of Chemistry and technology of basic organic synthesis department, MIREA – Russian Technological University,

Russia, Moscow

Pavel Klauzner

Assistant Professor of Chemistry and technology of basic organic synthesis department, MIREA – Russian Technological University,

Russia, Moscow

Anton Burachuk

PhD student of Chemistry and technology of basic organic synthesis department, MIREA – Russian Technological University,

Russia, Moscow

Elena Anokhina

Candidate of Science, Associate Professor of Chemistry and technology of basic organic synthesis department, Associate Professor, MIREA – Russian Technological University,

Russia, Moscow

Andrey Timoshenko

Doctor of Science, Professor of Chemistry and technology of basic organic synthesis department, Professor, MIREA – Russian Technological University,

Russia, Moscow

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 20-03-00314.

АННОТАЦИЯ

Проведено математическое моделирование и оптимизация схем экстрактивной ректификации смеси изобутанол–изобутилацетат с бутилпропионатом в качестве разделяющего агента. Рассмотрена обычная двухколонная схема и схема с тепловым насосом, установленным на колонне регенерации. Показано, что схема с тепловым насосом обеспечивает снижение приведенных затрат на 12%. Выполнена оценка управляемости и устойчивости работы схемы с тепловым насосом и проведено сопоставление с аналогичными параметрами классических схем.

ABSTRACT

Simulation and optimization of extractive rectification flowsheets for isobutanol – isobutyl acetate mixture separation have been carried out. A conventional two-column flowsheet and a flowsheet with heat pump assisted entrainer recovery column are considered. It is shown that the scheme with a heat pump provides a 12% reduction in the reduced costs. The evaluation of the controllability and dynamic stability of the heat pump assisted flowsheet and its comparison with conventional two-column flowsheet is carried out.

Ключевые слова: тепловой насос; экстрактивная ректификация; изобутиловый спирт; энергосбережение; динамическая устойчивость.

Keywords: heat pump; extractive distillation; isobutyl alcohol; energy saving; dynamic stability.

Экстрактивная ректификация (ЭР) – процесс, основанный на применении специального разделяющего агента, изменяющего относительную летучесть компонентов исходной смеси. Она находит широкое применение как метод разделения азеотропных смесей и смесей компонентов с малой относительной летучестью. Хотя ЭР в ряде случаев характеризуется существенно меньшим энергопотреблением, чем другие специальные методы разделения, снижение энергетических затрат на её проведение является актуальной задачей, так как она применяется в основном в многотоннажных технологиях основного органического и нефтехимического синтеза. Как и в случае обычной ректификации, для повышения энергоэффективности процесса ЭР может применяться внутренняя и внешняя теплоинтеграция, а также применение тепловых насосов различных типов. Стоит отметить, что использование тепловых насосов для обычной ректификации уже широко распространено – примером такой технологией является ректификация пропан-пропиленовой фракции, то для экстрактивной ректификации разработка только начинается – существует лишь небольшое количество зарубежных работ, в основном посвященных применению тепловых насосов в конкретных процессах, например, в процессе осушки биоэтанола [1]. Таким образом, исследование эффективности применения тепловых насосов в процессах экстрактивной ректификации и анализ устойчивости режима их работы является актуальной задачей.

Задачей настоящего исследования является определение эффективности применения, а также оценка управляемости и устойчивости работы систем с тепловым насосом и их сопоставление с аналогичными параметрами классических схем в процессе экстрактивной ректификации смеси изобутиловый спирт (ИБС) – изобутилацетат (ИБА) с н-бутилпропионатом (БП) в качестве разделяющего агента.

На первом этапе в работе [2] были проведены моделирование и оптимизация статического режима работы схемы ЭР, как без установленного теплового насоса (Рис. 1а), так и с ним (см. Рис. 1б). Описание парожидкостного равновесия проводили по уравнению UNIQUAC, с параметрами опубликованными в [2]. Расчет проводили в проектно-поверочном варианте с фиксированным качеством продуктовых потоков ИБС и ИБА равным 99.5 % масс. Качество регенерированного ЭА задавали равным 99.9 % масс. Тип тарелок – клапанные с КПД = 0.65. Общее число тарелок в колоннах схем было определено по методу Джиллиленда: количество тарелок в экстрактивной колонне (ЭК) – 104, в колонне регенерации (РК) – 50 тарелок. Затем проводили оптимизацию технологической схемы по алгоритму, представленному авторами [3]. Минимальные при заданных допущениях энергозатраты в кипятильниках комплекса ЭР достигаются при подаче питания на 74 тарелку колонны ЭР и экстрактивного агента (ЭА) на 20. Оптимальный расход ЭА при 120°С составляет 2935 кг/ч. Оптимальные рабочие параметры двухколонной схемы ЭР представлены в Таблице 1.

Рисунок 1. Схемы ЭР смеси ИБС–ИБА. а – классическая схема, б – схема с тепловым насосом. 1 – исходная смесь, 2 – ЭА, 3 – ИБС, 4 – ИБА

Таблица 1.

Оптимальные параметры работы двухколонной схемы без ТН

Далее проводили расчет схемы с ТН, изображенной на Рис. 1б. Полученные рабочие параметры приведены в Таблице 2.

Таблица 2.

Оптимальные параметры работы двухколонной схемы с ТН

Сравнивая приведенные энергозатраты для комплекса с ТН и традиционной схемой ЭР, можно сделать вывод, что применение теплового насоса на паровом потоке колонны регенерации позволяет снизить их на 12%.

При оценке динамической устойчивости дополнительно выполнен анализ статической модели процесса, целью которого являлось определение чувствительных к возмущающим воздействиям тарелок колонн в плане изменения температуры (состава) на них. Среди существующих методов в настоящей работе для оценки применяются Slope Criterion и Sensitivity Criterion [4]. Был проведён анализ переходных процессов (ПП) при воздействии на объект регулирования возмущающего воздействия. Изменение потока питания производили ступенчато в момент времени τ=1 ч. На Рис. 2 представлен ПП предложенной схемы регулирования. По оси ординат расположены составы продуктов схемы разделения и регенерированного ЭА. Для всех контуров задержка времени измерения состава принята равной 3 минутам, задержка измерения температуры тарелок колонны – 1 минута. Настройки регуляторов, подчиняющихся пропорционально-интегральному закону, получены с помощью Closed-loop ATV test по правилу Tyreus-Luyben [5].

Подход к разработке АСУ схемы экстрактивной ректификации с применением теплового насоса в целом аналогичен представленному для традиционной схемы. Как и для традиционной схемы были получены графики переходных процессов (Рис. 3).

Рисунок 2. Переходные процессы АСУ традиционной схемы ЭР

Рисунок 3. Переходные процессы АСУ схемы ЭР с ТН

Таким образом, проведена оптимизация по критерию суммарных энергетических затрат статических моделей исследуемых схем разделения. Определено, что проведение процесса экстрактивной ректификации в схеме с применением теплового насоса позволяет снизить приведенные затраты на 12% по сравнению с традиционным процессом. Показано, что внедрение теплового насоса в традиционную схему ЭР не снижает качество регулирования процесса.

Список литературы:

1. Luo H., Bildea C.S., Kiss A.A. Novel heat-pump-assisted extractive distillation for bioethanol purification // Ind. Eng. Chem. Res. 2015, V. 54. №7. P 2208–2213.
2. Клаузнер П.С., Рудаков Д.Г., Анохина Е.А., Тимошенко А.В. Энергосбережение в экстрактивной ректификации смеси изобутиловый спирт–изобутилацетат с бутилпропионатом // Тонкие химические технологии. 2020. Т. 15. №4. С. 14-29.
3. Anokhina E.A., Timoshenko A.V., Akishin A.Y., Remizova A.V. Benzene purification from thiophene using dimethylformamide as an entrainer in thermallycoupled extractive distillation columns // Chem. Eng. Res. Des. 2019. V.146. P. 391–403.
4. Беспалов А.В., Харитонов Н.И. Системы управления химико-технологическими процессами. М.: Академкнига, 2007.
5. Luyben W.L., Chien I.L. Design and control of distillation systems for separating azeotropes. John Wiley & Sons, Inc., 2010.