ПРИМЕНЕНИЕ СЛОЖНЫХ КОЛОНН С БОКОВЫМ ОТБОРОМ В СХЕМАХ ЭКСТРАКТИВНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ СМЕСИ АЦЕТОН-ТОЛУОЛ-БУТАНОЛ-1

APPLICATION OF THE COMPLEX COLUMNS WITH SIDE WITHDRAWAL IN THE EXTRACTIVE DISTILLATION FLOWSHEEET OF AN ACETONE-TOLUENE-BUTANOL-1 MIXTURE

Dmitry Ramochnikov

Postgraduate student of Department of Chemistry and Technology of Basic Organic Synthesis of M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies, MIREA – Russian Technological University,

Russia, Moscow

Anna Nidzel’skaya

Student of Department of Chemistry and Technology of Basic Organic Synthesis of M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies, MIREA – Russian Technological University,

Russia, Moscow

Elena Anokhina

Doctor of Science, professor of Department of Chemistry and Technology of Basic Organic Synthesis of M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies, MIREA – Russian Technological University,

Russia, Moscow

Andrey Timoshenko

 Doctor of Science, professor of Department of Chemistry and Technology of Basic Organic Synthesis of M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies, MIREA – Russian Technological University,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Целью данной работы является оценка энергетической эффективности применения колонн с боковым отбором в схемах экстрактивной ректификации смеси ацетон-толуол-бутанол-1 с тяжелокипящим разделяющим агентом N,N-диметилформамидом. Синтезированы две схемы экстрактивной ректификации, включающие экстрактивную колонну с боковым отбором, при этом в одной схеме тарелка бокового отбора расположена выше, а в другой – ниже экстрактивной секции. Определены оптимальные по критерию суммарных энергетических затрат в кипятильниках колонн параметры данных схем. Расчет колонны с боковым отбором в каждой схеме проведен в двух вариантах, отличающихся агрегатным состоянием бокового потока. Установлено, что энергетическая эффективность применения колонн с боковым отбором в схемах экстрактивной ректификации исследуемой смеси практически не зависит от агрегатного состояния бокового отбора. Наибольшую экономию энергозатрат в кипятильниках колонн по сравнению с традиционной схемой из двухотборных колонн (35,0% и 33,8% при парофазном и жидкофазном боковом отборе, соответственно) обеспечивает схема, включающая колонну с боковым отбором потока выше экстрактивной секции.

ABSTRACT

The purpose of this work is to evaluate the energy efficiency of using columns with side withdrawal in the extractive distillation schemes for separation of the acetone-toluene-butanol-1 mixture with a high-boiling extractant N,N-dimethylformamide. Two schemes for extractive distillation have been synthesized, which include an extractive column with side withdrawal. In one scheme, the side withdrawal plate is located above, and in another, below the extractive section. The optimal parameters of these schemes, based on the criterion of total energy consumption in the column boilers, were determined. The calculation of a column with side withdrawal in each scheme was carried out in two versions, differing in the state of aggregation of the side flow. It has been established that the energy efficiency of using columns with side withdrawal in the extractive distillation schemes of the mixture under consideration is practically does not depend on the aggregate state of the side withdrawal. The greatest savings in energy consumption in column boilers compared to the traditional scheme (35.0% and 33.8% for vapor-phase and liquid-phase side withdrawal, respectively) is provided by a scheme that includes a column with side flow withdrawal above the extractive section.

Ключевые слова: ацетон; толуол; бутанол-1; экстрактивная ректификация; колонны с боковым отбором; энергоэффективность.

Keywords: acetone; toluene; butanol-1; extractive distillation; columns with side withdrawal; energy effectiveness.

Смесь ацетон-толуол-бутанол-1 – это смесь растворителей, применяемых при производстве термостабилизатора полиамида – стабилина-9. В системе имеется один азеотроп с минимумом температуры кипения в бинарной составляющей толуол-бутанол-1. Для разделения данной смеси в диссертации Пирог Л.А. [1] было предложено использовать экстрактивную ректификацию (ЭР) с тяжелокипящим разделяющим агентом (РА) N,N-диметилформамидом (ДМФА).

Один из способов снижения энергопотребления схем ЭР заключается в применении сложных колонн с боковыми секциями [2–5] и отборами [6–8]. Оценка энергетической эффективности применения сложных колонн (СК) с боковой секцией (БС) в схемах экстрактивной ректификации данной смеси проведена ранее автором [4].

Цель данной работы – оценка энергетической эффективности применения сложных колонн с боковым отбором (БО) в схемах экстрактивной ректификации смеси ацетон-толуол-бутанол-1 с N,N-диметилформамидом.

Энергоэффективность схем ЭР, включающих СК с БО, определяли по формуле:

                                                                         (1)

где – суммарные энергозатраты в кипятильниках колонн традиционной схемы ЭР, состоящей из двухотборных колонн, при оптимальных параметрах её работы; – суммарные энергозатраты в кипятильниках колонн схемы, включающей СК с БО, при оптимальных параметрах её работы.

Схемы ЭР включающие СК с БО, которые рассматриваются в данной работе, представлены на рис. 1г, д. Эти схемы были получены в результате трансформации схем-прообразов, включающих СК с боковой секцией (рис. 1б, в), в соответствии с алгоритмом [2]. В свою очередь, прообразом схем, включающих СК с БС, являлась схема из двухотборных колонн, приведенная на рис. 1а.

Рисунок 1. Схемы ЭР смеси ацетон – толуол – бутанол-1: традиционная из двухотборных колонн (а), включающие сложную колонну с боковой секцией (б и в), включающие колонну с боковым отбором (г и д). К1–К3 – ректификационные колонны, ОК – основная колонна, ИБС – исчерпывающая боковая секция, УБС – укрепляющая боковая секция, F – поток исходной смеси, Ац – ацетон, Б – бутанол-1, ДМФА – N,N-диметилформамид, Т – толуол.

Оптимальные параметры схемы ЭР из двухотборных колонн (рис. 1а) и схем, включающих СК с БС (рис. 1б, в), были определены автором [4] и представлены в табл. 1 и 2.

Таблица 1.

Оптимальные параметры традиционной схемы ЭР, состоящей из двухотборных колонн (рис. 1а) [4]

Таблица 2.

Оптимальные параметры схем ЭР, включающих СК с БС [4]

В данной работе проведена оптимизация схем, включающих СК с БО (рис. 1д, г). Критерий оптимальности – минимум суммарных энергетических затрат в кипятильниках колонн. Для колонны с боковым отбором в каждой схеме рассмотрены два варианта агрегатного состояния бокового потока: парофазный и жидкофазный боковой отбор. Все расчеты проводились с использованием программного комплекса Aspen Plus.

Исходные данные для моделирования схем, включающих СК с БО, были взяты из источника [4] (табл. 3). Расчеты выполнялись в проектно-поверочном варианте с закрепленным качеством продуктовых потоков: 99,5 % масс. для ацетона и бутанола-1 и 99,6 % масс. для толуола. Тарелки в колоннах теоретические. Число тарелок в колоннах К1, схем, включающих СК с БО, было задано равным числу тарелок в основной колонне, соответствующей схемы-прообраза. Колонны К2 в схемах прообразе и образе на рис. 1в и 1д идентичны, аналогичная ситуация наблюдается и в случае колонны К3 в схемах на рис. 1б и 1г. Таким образом, для схем, включающих СК с БО, необходимо определить оптимальное число тарелок и положение тарелки подачи питания в колонне доочистки целевого компонента (в схеме на рис. 1г – это колонна К2, а в схеме на рис. 1д – это колонна К3), положение тарелки бокового отбора (N_БО) и количество бокового отбора из колонны К1.

Таблица 3.

Исходные данные для оптимизации схем, включающих СК с БО [4]

Число тарелок в колонне доочистки целевого компонента было выбрано по графикам Джиллиленда (рис. 2). При этом в колонне с боковым отбором были закреплены N_БО и количество бокового отбора. Исходя из анализа полученных зависимостей, число тарелок в колонне К2 схемы на рис. 1г выбрали равным 20 и 16 т.т. при отборе бокового потока в паровой и в жидкой фазе, соответственно, а число тарелок в колонне К3 схемы на рис. 1д выбрали равным 34 и 29 т.т. при отборе бокового потока в паровой и в жидкой фазе, соответственно.

Рисунок 2. Зависимость энергозатрат в кипятильнике колонны доочистки целевого компонента от числа тарелок в ней: а) колонна К2 схемы на рис. 1г при БО в паровой фазе; б) колонна К2 схемы на рис. 1г при БО в жидкой фазе; в) колонна К3 схемы на рис. 1д при БО в паровой фазе; в) колонна К3 схемы на рис. 1д при БО в жидкой фазе

Далее были определены оптимальные параметры схем, включающих СК с БО, в целом. Оптимизацию проводили методом сканирования области изменения переменных с заданным шагом, применяя имеющийся в Aspen Plus модуль Sensitivity Analysis. Результаты представлены в табл. 4 и 5. Исходя из полученных данных, можно сделать вывод, что энергетическая эффективность применения СК с БО в схемах ЭР исследуемой смеси практически не зависит от агрегатного состояния бокового отбора. Наибольшую экономию тепла в кипятильниках колонн (35,0% и 33,8% при парофазном и жидкофазном БО, соответственно) обеспечивает схема, включающая СК с боковым отбором потока выше экстрактивной секции. Необходимо отметить, что данная схема является образом наиболее энергоэффективной из схем, включающих СК с боковой секцией.

Таблица 4.

Оптимальные параметры схем, включающих СК с боковым отбором потока выше экстрактивной секции (рис. 1г)

Из таблиц 2, 4 и 5 следует, что оптимальное положение тарелки бокового отбора в СК с БС и в полученной в результате её трансформации СК с БО практически совпадает. При этом в СК с БО при отборе потока выше экстрактивной секции количество отбора в паровой фазе в 2,06 раза больше, чем количество отбора в жидкой фазе, что связано с существенно разным составом потоков в паровой и жидкой фазах. При отборе в паровой фазе боковой поток содержит практически в 2 раза меньше толуола, чем при отборе в жидкой фазе, поскольку в паровой поток попадает большое количество легкокипящего компонента – ацетона. Таким образом, чтобы отобрать весь толуол, содержащийся в исходной смеси, бокового потока в паровой фазе требуется в 2,06 раза больше, чем в жидкой. В СК с боковым отбором потока ниже экстрактивной секции количество БО в паровой фазе меньше, чем количество БО в жидкой фазе в 1,14, поскольку паровой поток содержит меньшее количество ДМФА, и чтобы отобрать все количество бутанола требуется меньший суммарный поток БО. В данном случае различие в составах потоков не такое сильное, как в колонне с БО выше экстрактивной секции, поэтому и разница в количествах парового и жидкостного отбора не такая существенная.

Таблица 5.

Оптимальные параметры схем, включающих СК с боковым отбором потока ниже экстрактивной секции (рис. 1д)

Как видно из таблиц 2, 4 и 5, схемы-образы, включающие колонны с боковым отбором, обладают практически такой же энергоэффективностью, как и соответствующие им схемы-прообразы, включающие колонну с боковой секцией. Однако число тарелок в схемах образах больше, чем в прообразах на 11–27 %. Поэтому окончательный выбор наиболее эффективной схемы ЭР исследуемой смеси можно будет сделать только после расчета полных годовых затрат для каждой схемы, которые учитывают не только энергетические, но и капитальные затраты.

Таким образом, определены оптимальные параметры двух схем ЭР смеси включающих сложные колонны с боковым отбором. Установлено, что энергетическая эффективность применения СК с БО в схемах ЭР исследуемой смеси практически не зависит от агрегатного состояния бокового отбора. Наибольшую экономию тепла в кипятильниках колонн по сравнению с традиционной схемой из двухотборных колонн (35,0% и 33,8% при парофазном и жидкофазном БО, соответственно) обеспечивает схема, включающая СК с боковым отбором потока выше экстрактивной секции, которая получена в результате трансформации схемы, включающей сложную колонну с исчерпывающей боковой секцией.

Работа выполнена при финансовой поддержке Гранта Государственного задания РФ № FSFZ-2023-0003.

Список литературы:

1. Пирог Л.А. Оценка эффективности агентов при разделении неидеальных смесей экстрактивной ректификацией: дисс. …канд. техн. наук. – М., 1987. – 204 с.
2. Timoshenko A.V., Morgunov A.V., Anokhina E.A. Flowsheet synthesis for the extractive distillation of azeotropic mixtures in systems consisting of columns with partially coupled heat and material flows // Theor. Found. Chem. Eng. 2007. Vol. 41. № 6. P. 845–850.
3. Рудаков Д.Г., Анохина Е.А., Тимошенко А.В. Энергоэффективность комплексов с частично связанными тепловыми и материальными потоками в экстрактивной ректификации // Хим. технол. 2013.  Т. 14. №3. С. 163–171.
4. Анохина Е.А. Экстрактивная ректификация в комплексах с частично связанными тепловыми и материальными потоками: дисс. …докт. техн. наук. – М., 2020. – 549 с.
5. Cao X., Liu R., Lu Y., Jia Sh., Yuan X. Application of the thermally coupled extractive distillation for recycling octafluoropropane based on thermoeconomic analysis // Sep. Purif. Technol. 2021. Vol. 279. P. 119813.
6. Zhang Zh., Wang Ch., Guang Ch., Wang Ch. Separation of propylene oxide-methanol-water mixture via enhanced extractive distillation: Design and control // Chem. Eng. Process. - Process Intensif. 2019. Vol. 144. P. 107651.
7. Wang C., Zhuang Y., Liu L. et al. Design and comparison of conventional and side-stream extractive distillation sequences for separating the methanol-toluene binary azeotrope with intermediate boiling entrainer // Comp. Chem. Eng.  2020. Vol. 143. P. 107115.
8. Анохина Е.А., Якутин Р.И., Тимошенко А.В. Очистка бензола от тиофена экстрактивной ректификацией с применением колонн с боковым отбором в паровой фазе // Теор. основы хим. технол. 2021. Т. 55. № 5. С. 578–586.