АНАЛИЗ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ СХЕМ ЭКСТРАКТИВНОЙ РЕКТИФИКАЦИИ ЧЕТЫРЕХКОМПОНЕНТНОЙ СМЕСИ РАСТВОРИТЕЛЕЙ
Аннотация
Проведен сравнительный анализ энергозатрат на разделение схем экстрактивной ректификации эквимолярной смеси растворителей фармацевтических производств метанол - этанол - ацетонитрил - вода. Базовая система содержит четыре бинарных и трехкомпонентный азеотропы с минимальными температурами кипения. Изменение давления практически не влияет на положение сепаратрических поверхностей. Это определяет необходимость использования для разделения базовых смесей любых составов экстрактивной ректификации. В качестве селективных агентов рассмотрены промышленные агенты диметилсульфоксид и глицерин. Влияние агентов на парожидкостное равновесие при 30 и 101,32 кПа оценено по относительной летучести компонентов, образующих азеотропы, и селективности агентов. Вычислительный эксперимент проведен на платформе Aspen Plus V.10.0. Предложены две принципиальные технологические схемы, включающие двухколонный комплекс экстрактивной ректификации для обезвоживания базовой смеси. Для последующего выделения ацетонитрила в схемах используется экстрактивная ректифкация с одним из агентов. Разделение азеотропных смесей метанол - этанол - агент различается очередностью выделения компонентов. В схеме I предусмотрена регенерация агента и дальнейшее разделение смеси спиртов, в схеме II сначала проводится выделение метанола, а потом отделение этанола от агента. Проведены расчеты комплексов экстрактивной ректификации обеих схем для рабочих давлений колонн 30 и 101,32 кПа. Рассмотрены разные наборы селективных агентов, вводимых в колонны обезвоживания базовой смеси и выделения ацетонитрила. Введено понятие эффективного набора агентов. Суммарные энергозатраты на разделение (нагрузки кипятильников колонн) для схемы II на 35-38% превышают значения для схемы I. По критерию наименьших суммарных энергозатрат на разделение рекомендована схема I: рабочее давление колонн 30 кПа, набор эффективных агентов: глицерин для обезвоживания базовой смеси и диметилсульфоксид для выделения ацетонитрила.
Литература
Frolkova A.K. Separation of azeotropic mixtures. Physicochemical fundamentals and technological methods. M.: Gumanit. Izd. Tsentr VLADOS. 2010. 192 p. (in Russian).
Zaretskii M.I., Rusak V.V., Chartov E.M. Extractive distillation in chemical technology: A Review. Koks Khim. 2010. N 3. P. 36-40 (in Russian). DOI: 10.3103/S1068364X10030075.
Momoh S.O. Assessing the accuracy of selectivity as a basis for solvent screening in extractive distillation pro-cesses. SEP SCI Technol. 1991. V. 26. N 5. P. 729-742. DOI: 10.1080/01496399108049911.
Lei Z., Li C., Chen B. Extractive Distillation: A Review. Sep. Purif. Rev. 2003. V. 32. N 2. Р. 121-213. DOI: 10.1081/SPM-120026627.
Gerbaud V., Rodríguez-Donis I., Hegely L. Review of extractive distillation. Process design, operation optimization and control. Chem. Eng. Res. Design. 2018. V. 141. P. 1-43. DOI: 10.1016/j.cherd.2018.09.020.
Sazonova A.Yu., Raeva V.M. Recovery of acetonitrile from aqueous solutions by extractive distillation – Effect of entrainer. Internat. J. Chem., Nucl., Metallurg. Mater. Eng. 2015. V. 9. N 2. Р. 195-198.
Raeva V.M., Kapranova A.S. The comparison of the effectiveness extractive agents in the separation of mix-ture acetone−methanol. Khim. Prom. Segodnya. 2015. N 3. P. 33-46 (in Russian).
Sprakel L.M.J., Kamphuis P., Nikolova A.L., Schuur B. Development of extractive distillation processes for close boiling polar systems. Chem. Eng. Trans. 2018. V. 69. Р. 529-534. DOI: 10.3303/CET1869089.
Hu C.-C., Cheng S.-C. Development of alternative methanol/dimethyl carbonate separation systems by extractive distillation - a holistic approach. Chem. Eng. Res. Design. 2017. V. 127. Р. 189-214. DOI: 10.1016/j.cherd.2017.09.016.
Dolmatov B.B., Anokhina E.A., Timoshenko A.V. Isocriterial manifolds during extractive distillation of a mixture of methanol-n-propyl acetate-toluene with aniline. Theor. Found. Chem. Eng. 2009. V. 43. N 2. Р. 143-150. DOI: 10.1134/S0040579509020031.
Makashova A.V., Ivanova L.V., Timoshenko A.V. Energy-saving schemes of extractive distillation of a mixture cyclohexane - benzene - enhylbenzene - n-propylbenzene witn aniline as separating agent. I. Complexes of double-columned columns. Vestn. MITHT. 2006. V.1. N 3. P. 30-36 (in Russian).
Timoshenko A.V., Dolmatov B.B., Anokhina E.A. Topology of iso energetic manifolds in feed composition simplexes for extractive distillation. Theor. Found. Chem. Eng. 2010. V. 44. N 1. Р. 36-42. DOI: 10.1134/S0040579510010057.
Frolkova A.V., Shashkova Y.I., Frolkova А.К., Mayevskiy М.A. Comparison of alternative methods for methyl acetate + methanol + acetic acid + acetic anhydride mixture separation. Fine Chem. Technol. 2019. V. 14. N 5. Р. 51-60. DOI: 10.32362/2410-6593-2019-14-5-51-60.
Benyounes Н., Frolkova A.K. Аspects of multicomponent mixture separation in the presence of selective sol-vents. Chem. Eng. Comm. 2010. V. 197. N 7. Р. 901-918. DOI: 10.1080/00986440903088561.
Raeva V.M., Sazonova A.Yu. Separation of ternary mixtures by extractive distillation with 1,2-ethandiol and glycerol. Chem. Eng. Res. Des. 2015. V. 99. Р. 125-131. DOI: 10.1016/j.cherd.2015.04.032.
Raeva V.M., Gromova O.V. Separation of water – for-mic acid – acetic acid mixtures in the presence of sul-folane. Fine Chem. Technol. 2019. V. 14. N 4. P. 24-32. DOI: 10.32362/2410-6593-2019-14-4-24-32.
Wang Y., Bu G., Geng X., Zhu Z. Design optimization and operating pressure effects in the separation of ace-tonitrile/methanol/water mixture by ternary extractive distillation. J. Clean. Prod. 2019. V. 218. P. 212-224. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.01.324.
Wang Y., Zhang X., Liu X., Bai W. Control of extractive distillation process for separating heterogenerous ternary azeotropic mixture via adjusting the solvent content. Sep.Purif. Tech. 2018. V. 191. P. 8-26. DOI: 10.1016/j.seppur.2017.09.008.
Raeva V.M., Sukhov D.I. Selection of extractive agents for the separation of chloroform - methanol - tetrahydrofuran mixture. Tonkie Khim. Tekhnol. 2018. V. 13. N 3. P. 30-40 (in Russian). DOI: 10.32362/24106593-2018-13-3-30-40.
According to the site: http://base.safework.ru/iloenc/print. Data of treatment 01.12.2019.
Papadakis E., Tula A.K., Gani R. Solvent selection methodology for pharmaceutical processes: Solvent swap. Chem. Eng. Res. Des. 2016. V. 115. Р. 443-461. DOI: 10.1016/j.cherd.2016.09.004.
Kogan V.B. Azeotropic and extractive distillation. L.: Khimiya. 1971. 432 p. (in Russian)
Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. V. 8. John Wiley&Sons, Inc. 1999-2014.
Li G., Yu Y., Bai P. Batch extractive distillation of mixture methanol–acetonitrile using aniline as a solvent. Pol. J. Chem. Technol. 2012. V. 14. N 3. Р. 48-53. DOI: 10.2478/v10026-012-0083-4.
Alvarez V. H., Mattedi S., Iglesias M. Phase equilibria of binary mixtures containing methyl acetate, water, methanol or ethanol at 101.3 kPa. Phys. Chem. Liq. 2011. V. 49. P. 52-71. DOI: 10.1080/00319100903012403.
Li Y., Bai P., Zhuang Q. Isobaric vapor-liquid equilibrium for binary system of methanol and acetonitrile. Fluid Phase Equil. 2013. V. 340. P. 42-45. DOI: 10.1016/j.fluid.2012.12.003.
Mato F., Gonzalez B.G. Vapor-liquid equilibria of binary mixtures of nitriles and alcohols. An Quim. 1985. V. 81. P. 116-120.
Yang C., Ma S., Yin X. Organic salt effect of tetramethylammonium bicarbonate on the vapor liquid equilibri-um of the methanol − water system. J. Chem. Eng. Data. 2011. V. 56. N 10. P. 3747-3751. DOI: 10.1021/je200341c.
Lai H.S., Lin Y.F., Tu C.H. Isobaric (vapor + liquid) equilibria for the ternary system of (ethanol + water + 1, 3-propanediol) and three constituent binary systems at P = 101.3 kPa. J. Chem. Thermodyn. 2014. V. 68. P. 13-19. DOI: 10.1016/j.jct.2013.08.020.
Zhang Z., Lv M., Huang D. Isobaric Vapor Liquid Equilibrium for the Extractive Distillation of Acetonitrile + Water Mixtures Using Dimethyl Sulfoxide at 101.3 kPa. J. Chem. Eng. Data. 2013. V. 58. P. 3364-3369. DOI: 10.1021/je400531a.
Sengwa R.J., Sonu Sankhla, Shinyashiki N. Dielectric parameters and hydrogen bond interaction study of binary alcohol mixtures. J. Solution Chem. 2008. V. 37. P. 137-153. DOI: 10.1007/s10953-007-9230-6.
Gu J., You X., Tao C. Energy-saving reduced-pressure extractive distillation with heat integration for separating the biazeotropic ternary mixture tetrahydrofuran−methanol−water. Ind. K.Eng. Chem. Res. 2018. 57 P. 13498-13510. DOI: 10.1021/acs.iecr.8b03123.
Zhao Y., Ma K, Bai W. Energy-saving thermally coupled ternary extractive distillation process by combining with mixed entrainer for separating ternary mixture containing bioethanol. Energy. 2018. 148. Р. 296-308. DOI: 10.1016/j.energy.2018.01.161.
