ЭКСТРАКТИВНАЯ РЕКТИФИКАЦИЯ СМЕСИ МЕТИЛАЦЕТАТ-ХЛОРОФОРМ В СЛОЖНЫХ КОЛОННАХ С БОКОВОЙ СЕКЦИЕЙ И БОКОВЫМ ОТБОРОМ

EXTRACTIVE DISTILLATION OF A METHYL ACETATE–CHLOROFORM MIXTURE IN THE COMPLEX COLUMNS WITH SIDE SECTION AND WITH SIDE WITHDRAWAL

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

Alena Saunina

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

Цель данной работы заключается в оценке энергетической эффективности применения сложных колонн с боковой укрепляющей секцией и с боковым отбором в экстрактивной ректификации смеси метилацетат - хлороформ с диметилформамидом в качестве разделяющего агента. Для достижения поставленной цели были определены оптимальные по критерию суммарных энергетических затрат в кипятильниках колонн параметры трёх схем экстрактивной ректификации: традиционной двухколонной, сложной колонны с боковой секцией и схемы, включающей колонну с боковым отбором. Оптимизацию проводили методом вычислительного эксперимента с применением встроенных в программный комплекс Aspen Plus модулей Sensitivity и Optimization. Установлено, что оба технологических решения обеспечивают практически одинаковое снижение энергозатрат относительно традиционной схемы экстрактивной ректификации (~ на 32 %), однако число тарелок в колоннах схемы, включающей колонну с боковым отбором, больше, чем в колонне с боковой секцией. При равном количестве тарелок в колоннах всех схем наиболее энергоэффективной является колонна с боковой секцией.

ABSTRACT

The purpose of this work is to evaluate the energy efficiency of using complex columns with a side section and a side withdrawal in an extractive distillation of a methyl acetate - chloroform mixture with dimethylformamide as a separating agent.

To achieve this goal, the optimal parameters of three schemes of extractive distillation were determined by the criterion of total energy costs in the boilers of the columns: a traditional two-column, a complex column with a side section and a scheme including a column with side withdrawal. Optimization was carried out by a computational experiment using the Sensitivity and Optimization modules built into the Aspen Plus software package. It was found that both technological solutions provide almost the same reduction in energy costs relative to the traditional scheme of extractive distillation (~ 32%), however, the number of plates in the columns of the scheme, which includes a column with side withdrawal, is greater than in a column with a side section. With an equal number of trays in the columns of each schema, the column with a side section is the most energy efficient.

Ключевые слова: метилацетат; хлороформ; экстрактивная ректификация; колонны с боковой секцией и отбором; оптимизация; энергосбережение.

Keywords: methyl acetate; chloroform; extractive distillation; columns with side section and with side withdrawal; optimization; energy saving.

Метилацетат (МАц) и хлороформ (Хл) входят в состав смесей растворителей, применяемых в химико-фармацевтических производствах [1, 2]. Указанные вещества образуют азеотропную смесь с максимальной температурой кипения при концентрации МАц 25,58 % масс. [3]. Дляеё разделения автором [3] предложено использовать экстрактивную ректификацию (ЭР) с тяжелокипящим разделяющим агентом (РА) – диметилформамидом (ДМФА). Традиционная схема ЭР состоит из двух колонн – экстрактивной и регенерации РА (рис. 1а). Метилацетат выделяется в дистилляте экстрактивной колонны, а хлороформ – в дистилляте колонны регенерации. Как следует из анализа литературных данных, ЭР бинарных смесей можно реализовать и в одной сложной колонне с боковой укрепляющей секцией [4, 5] (рис. 1б). Такой способ проведения процесса в ряде случаев обеспечивает снижение энергопотребления в кипятильниках колонн на 10–30 % по сравнению с традиционной схемой за счет приближения условий разделения к термодинамически обратимой ректификации [6], однако при этом усложняется система регулирования параметров работы установки. Поэтому в последнее время возрос интерес к использованию в технологиях ЭР сложных колонн (СК) с боковыми отборами (БО) [7, 8]. Эти аппараты более просты в управлении, чем колонны с боковой секцией (БС), но при этом также обеспечивают экономию энергозатрат на разделение. Однако в боковом потоке, как правило, не удается выделить целевой компонент такого же качества, как в традиционной схеме и в СК с БС, что приводит к необходимости применения колонны его доочистки (КДО) от разделяющего агента (рис. 1в).

Рисунок 1. Схемы ЭР смеси метилацетат-хлороформ с ДМФА: традиционная двухколонная (а), сложная колонна с боковой секцией (б) и схема, включающая колонну с боковым отбором (в). ЭК – экстрактивная колонна, КР – колонна регенерации, КДО – колонна доочистки Хл от ДМФА, ОК – основная колонна, БС – боковая секция, F – поток исходной смеси

Цель данной работы: оценка энергетической эффективности применения сложных колонн с боковой укрепляющей секцией и с боковым отбором в экстрактивной ректификации смеси метилацетат - хлороформ с диметилформамидом в качестве разделяющего агента.

Для достижения поставленной цели были определены оптимальные по критерию суммарных энергетических затрат в кипятильниках колонн (Q_Sкип.) параметры каждой схемы. Оптимизацию проводили в соответствии с алгоритмом, описанным в работе [5]. Расчетное исследование выполняли с применением программного комплекса Aspen Plus. Исходные данные для моделирования схем приведены в табл. 1. Для описания парожидкостного равновесия использовали модель локальных составов NRTL-RK. Тарелки в колоннах клапанные с КПД = 0,65, перепад давления на 1 тарелку задавали равным 0,5 кПа.

Таблица 1.

Исходные данные для моделирования схем

Первоначально были определены оптимальные параметры традиционной схемы ЭР, а именно: число тарелок в колоннах, расход ДМФА и положение тарелок питания (N_F) в колоннах. Для колонны экстрактивной ректификации дополнительно находили оптимальный уровень ввода разделяющего агента (N_РА). Результаты представлены в табл. 2.

На следующем этапе были определены оптимальные параметры СК с БС и схемы, включающей СК с БО. При оптимизации данных схем положение тарелок подачи исходной смеси и РА, а также расход ДМФА были закреплены в соответствии с оптимальными значениями этих величин, найденными для двухколонной схемы. Количество тарелок в основной колонне схемы на рис. 1б и в колонне с БО схемы на рис. 1в задавали равным сумме числа тарелок в колонне ЭР и в исчерпывающей секции колонны регенерации ДМФА традиционной схемы, а число тарелок в боковой секции – равным числу тарелок в укрепляющей секции колонны регенерации. Это следует из алгоритма синтеза схем, включающих СК с боковыми секциями и отборами [9]. Для СК с БС определяли оптимальное положение тарелки отбора в БС и оптимальное количество отбора в БС. Для схемы, включающей СК с БО, оптимизируемые параметры: число тарелок в колонне доочистки хлороформа, положение тарелки бокового отбора (N_БО) и количество бокового отбора, а также положение тарелки подачи питания в колонну доочистки хлороформа (N_FКДО). Результаты представлены в табл. 3.

Таблица 2.

Оптимальные рабочие параметры традиционной схемы ЭР

Таблица 3.

Оптимальные рабочие параметры СК с БС и схемы, включающей СК с БО

Из таблицы 3 видно, что суммарное энергопотребление в кипятильниках колонн схемы, включающей СК с БО, практически совпадает с энергозатратами в кипятильнике СК с БС. Обе схемы обеспечивают практически одинаковое снижение энергозатрат относительно традиционной схемы ЭР (DQ @ 32%). Однако число тарелок в колонне доочистки в 3 раза больше, чем в боковой секции, при этом оба аппарата выполняют одинаковую функцию, а именно: очистку хлороформа от ДМФА. Далее были определены оптимальные параметры схемы, включающей СК с БО, с суммарным числом тарелок в колоннах, равным числу тарелок в СК с БС, т.е. 77 тарелкам. Расчеты показали, что количество тарелок в КДО можно сократить до 16, а СК с БО – до 55. Были рассмотрены различные сочетания числа тарелок в СК с БО и в КДО, которые в сумме составляют 77 тарелок. Для каждого случая определены оптимальное положение тарелки бокового отбора и количество бокового отбора, а также оптимальное положение тарелки подачи питания в КДО. Итоговые результаты приведены в табл. 4.

Таблица 4.

Зависимость энергетических затрат в кипятильниках СК с БО и КДО от числа тарелок в колоннах и параметров оптимизации

Как видно из табл. 4, при суммарном числе тарелок в колоннах равном 77, минимальное энергопотребление в кипятильниках достигается при количестве тарелок в СК с БО и КДО равном 58 и 19 тарелкам, соответственно. При этом снижение энергозатрат относительно традиционной схемы экстрактивной ректификации составляет 13,1 %.

Таким образом, определены оптимальные параметры трёх схем ЭР смеси метилацетат-хлороформ (РА – диметилформамид): традиционной, сложной колонны с боковой секцией и схемы, включающей сложную колонну с боковым отбором. Проведена оценка энергетической эффективности применения СК с БС и СК с БО. Установлено, что оба технологических решения обеспечивают практически одинаковое снижение энергозатрат относительно традиционной схемы ЭР (~ на 32 %), однако число тарелок в колоннах схемы, включающей СК с БО, на 22 больше, чем в СК с БС. При равном количестве тарелок в колоннах всех схем энергоэффективность схемы, включающей СК с БО, ниже и составляет 13,1%.

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

Список литературы:

1. Pommier S., Massebeuf S., Kotai B. et al. Heterogeneous bath distillation processes: Real system optimization // Chem. Eng. Proc. 2008. Vol. 47. №3. P. 2856–2874.
2. Вернон Н.М., Микински Э., Катани С.Дж., Навиа Д.Л.  Способ водного деацилирования, стабилизированного буфером // Патент РФ № 2325394. 2008. Бюл. № 15.
3. Пирог Л.А. Оценка эффективности агентов при разделении неидеальных смесей экстрактивной ректификацией: дисс. …канд. техн. техн. наук. – М., 1987. – 204 с.
4. 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.
5. Anokhina E.A., Timoshenko A.V., Akishin A.Yu., Remizova A.V. Benzene purification from thiophene using dimethylformamide as an entrainer in thermally coupled extractive distillation columns // Chem. Eng. Res. Des. 2019. Vol. 146. P. 391–403.
6. Петлюк Ф.Б., Серафимов Л.А. Многокомпонентная ректификация. Теория и расчет. – М.: Химия, 1983. – 303 с.
7. 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.
8. 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.
9. 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.