Theoretical Foundations of Chemical EngineeringTheoretical Foundations of Chemical EngineeringТеоретические основы химической технологии0040-35713034-6053The Russian Academy of Sciences65281610.31857/S0040357124020094CTWRBFArticlesСтатьиResearch ArticleСравнение селективных агентов при ректификационном разделении смеси метанол – этанол – водаСравнение селективных агентов при ректификационном разделении смеси метанол – этанол – водаРыжкинД. А.
Russian Federation

Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова

raevalentina1@gmail.comРаеваВ. М.
Russian Federation

Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова

raevalentina1@gmail.comМИРЭА –Российский технологический университет2304202458221122102022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://transsyst.ru/0040-3571/article/view/652816

Представлены результаты расчета схем разной структуры для ректификационного разделения смеси метанол – этанол – вода с агентами, проявляющими различное селективное действие: моноэтаноламин, морфолин, N-метилпирролидон, пирролидин. Рабочее давление колонн в схемах 101.32 кПа. Для пирролидина рассмотрены варианты ввода агента выше и ниже уровня подачи смеси метанол – этанол – вода. По критерию суммарных энергозатрат на разделение рекомендовано использовать экстрактивную ректификацию с моноэтаноламином.

Представлены результаты расчета схем разной структуры для ректификационного разделения смеси метанол – этанол – вода с агентами, проявляющими различное селективное действие: моноэтаноламин, морфолин, N-метилпирролидон, пирролидин. Рабочее давление колонн в схемах 101.32 кПа. Для пирролидина рассмотрены варианты ввода агента выше и ниже уровня подачи смеси метанол – этанол – вода. По критерию суммарных энергозатрат на разделение рекомендовано использовать экстрактивную ректификацию с моноэтаноламином.

схема разделенияэкстрактивная ректификацияселективный агентмоноэтаноламинморфолинN-метилпирролидонпирролидинРабота выполнена при финансовой поддержке Российского Научного Фонда (проект 19–19–00620-п).Frolkova A.K. Separation of azeotropic mixtures. Physicochemical fundamentals and technological methods. Moscow.: Gumanit. Centr VLADOS, 2010. [Фролкова А.К. Разделение азеотропных смесей. Физико-химические основы и технологические приемы. Монография. М.: Гуманитар. Центр ВЛАДОС, 2010.]Krupinova O.N., Zhuchkov V.I., Frolkova A.K. Synthesis and discrimination of process flow sheets for the separation of a reaction mixture of methyl tert-butyl ether production. // Theor. Found. Chem. Eng. 2015. V. 49. № 3. P. 280. [Крупинова О.Н., Жучков В.И., Фролкова А.К. Синтез и дискриминация технологических схем разделения реакционной смеси производства метилтретбутилового эфира // Теорет. основы хим. технологии. 2015. Т. 49. № 3. С. 295.] https://doi.org/10.1134/s0040579515030069Sebyakin A.Y., Frolkova A.K. Separation of ethanol–propan-1-ol–butan-1-ol–water azeotropic mixture // Theor. Found. Chem. Eng. 2015. V. 49. P. 750. [Себякин А.Ю., Фролкова А.К. Разделение азеотропной четырехкомпонентной смеси этанол – пропан-1-ол – бутан-1-ол – вода // Теорет. основы хим. технологии. 2014. Т. 15. № 10. С. 591.] https://doi.org/10.1134/S0040579515050139Okhlopkova E.A., Frolkova A.V. Сomparative analysis of separation schemes of reaction mixtures of epichlorohydrin production in the presence of various solvents. // Theor. Found. Chem. Eng. 2019. V. 53. № 6. P. 1028. [Охлопкова Е.А., Фролкова А.В. Сравнительный анализ схем разделения реакционных смесей получения эпихлоргидрина в присутствии различных растворителей // Теорет. основы хим. технологии. 2019. Т. 53. № 6. С. 681.] https://doi.org/10.1134/S0040579519060101Mayevskiy M.A., Frolkova A.V, Frolkova A.K Separation and purification of methyl isobutyl ketone from acetone + isopropanol + water + methyl isobutyl ketone + methyl isobutyl carbinol + diisobutyl ketone mixture // ACS Omega. 2020. V. 5. P. 25365. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c03718Anokhina E.A., Rudakov D.G., Afaunov A.A., Timoshenko A.V. Energy-saving distillation flowsheets for crude isopropanol separation with different solvents // Chem. Technol. Organic Substances. 2021. V. 18. № 2. P. 19. [Анохина Е.А., Рудаков Д.Г., Афаунов А.А., Тимошенко А.В. Энергосберегающие схемы ректификации изопропанола-сырца с применением разделяющих агентов // Химия и технология органических веществ. 2021. Т. 18. № 2. С. 19.] https://doi.org/10.54468/25876724_2021_2_19Ryzhkin D.A., Raeva V.M. Analysis of energy consumption of extractive distillation flowsheets of four-component solvent mixture // Chem ChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. № 6. P. 47. [Рыжкин Д.А., Раева В.М. Анализ энергопотребления схем экстрактивной ректификации четырехкомпонентной смеси // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2021. Т. 64. № 6. С. 47] https://doi.org/10.6060/ivkkt.20216406.6326Рыжкин Д.А., Раева В.М., Фролкова А.К. Закономерности экстрактивной ректификации смеси метанол – ацетонитрил – тетрагидрофуран – вода // Химическая технология. 2023. Т. 24. № 4. С. 151. https://doi.org/10.31044/1684-5811-2023-24-4-151-159Frolkova A.K., Frolkova A.V., Raeva V.M., Zhuchkov V.I. Features of distillation separation of multicomponent mixtures // Fine Chemical Technologies. 2022. V. 17. № 2. P. 87. [Фролкова А.К., Фролкова А.В., Раева В.М., Жучков В.И. Особенности ректификационного разделения многокомпонентных смесей // Тонкие химические технологии. 2022. Т. 17. № 2. С. 87] https://doi.org/10.32362/2410-6593-2022-17-2-87-106Gaganov I.S., Belim S.S., Frolkova A.V., Frolkova A.K. Development of flowsheet of separation of a phenol production mixture based on the analysis of phase equilibrium diagrams. // Theor. Found. Chem. Eng. 2023. V. 57. P. 35. [Гаганов И.С., Белим С.С., Фролкова А.В., Фролкова А.К. Разработка схем разделения смеси получения фенола на основе анализа диаграмм фазового равновесия // Теорет. основы хим. технологии. 2023. Т. 57. № 1. С. 38.] https://doi.org/10.31857/S0040357123010049Ivanova L.V., Timoshenko A.V., Timofeev V.S. Synthesis of flowsheets for extractive distillation of azeotropic mixtures // Theor. Found. Chem. Eng. 2005. № 1. P. 16. [Иванова Л.В., Тимошенко А.В., Тимофеев В.С. Синтез схем экстрактивной ректификации азеотропных смесей // Теорет. основы хим. технологии. 2005. Т. 39. № 1. С. 19.] https://doi.org/10.1007/s11236-005-0022-7Frolkova A.V., Shashkova Y.I., Frolkova A.K., Mayevskiy M.A. Comparison of alternative methods for methyl acetate + methanol + acetic acid + acetic anhydride mixture separation // Fine Chemical Technologies. 2019. V. 14 № 5. P. 51. [Фролкова А.В., Шашкова Ю.И., Фролкова А.К., Маевский М.А. Сравнение альтернативных методов разделения смеси метилацетат – метанол – уксусная кислота – уксусный ангидрид // Тонкие химические технологии. 2019. Т. 14. № 5 С. 51.] https://doi.org/10.32362/2410-6593-2019-14-5-51-60Dolmatov 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. № 2. P. 143. https://doi.org/10.1134/s0040579509020031Anokhina E.А., Gracheva I.M., Akishin A. Yu., Timoshenko А.V. Acetone-chloroform-n-butanol mixture separation by the extractive distillation in schemes of two-outlet colums // Fine Chemical Technologies. 2017. V. 12. № 5. P. 34. [Анохина Е.А., Грачева И.М., Акишин А.Ю., Тимошенко А.В. Разделение смеси ацетон – хлороформ – н-бутанол с применением экстрактивной ректификации в схемах из двухотборных колонн // Тонкие химические технологии. 2017. Т. 12. № 5 С. 34.] https://doi.org/10.32362/2410-6593-2017-12-5-34-46Klauzner P.S., Rudakov D.G., Anokhina E.A., Timoshenko A.V. Application of diabatic extractive distillation schemes with preliminary separation of azeotropic components for separation of acetone-toluene-n-butanol mixture // Fine Chemical Technologies. 2023. V. 18. № 2. P. 83. [Клаузнер П.С., Рудаков Д.Г., Анохина Е.А., Тимошенко А.В. Применение схем неадиабатической экстрактивной ректификации с предварительным отделением азеотропообразующих компонентов для разделения смеси ацетон–толуол–н-бутанол. // Тонкие химические технологии. 2023. Т. 18. № 2. С. 83.] https://doi.org/10.32362/2410-6593-2023-18-2-83-9Guo Ch., Wang F., Xing J., Cui P.. Thermodynamic and economic comparison of extractive distillation sequences for separating methanol/dimethyl carbonate/water azeotropic mixtures // Sep. Purif. Technol. 2022. V. 282. P. 120150. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.120150Анохина Е.А., Тимошенко А.В., Ребровская А.Е., Федюшина А.В. Энергосберегающие схемы экстрактивной ректификации смеси бензол-циклогексан-толуол с N-метилпирролидоном. Часть 1. Схемы из двухотборных колонн // Хим. пром-сть сегодня. 2015. № 2. С. 47.Yang A., Su Y., Chien I.-L., Jin S, Yan C., Wei Shun, Shen W. Investigation of an energy-saving double-thermally coupled extractive distillation for separating ternary system benzene/toluene/cyclohexane // Energy. 2019. V. 186. P. 115756. https://doi.org/0.1016/j.energy.2019.07.086Стоякина И.Е., Новрузова А.Н., Раева В.М. Разделение смеси бензол – циклогексан – толуол экстрактивной ректификацией // Тез. докл. II Всероссийской научно-практической конф. студентов и молодых ученых (Современные тенденции развития химической технологии, промышленной экологии и техносферной безопасности). СПб: Санкт-Петербургский государственный университет промышленных технологий и дизайна, Высшая школа технологии и энергетики. 2021. С. 125.Новрузова А.Н., Стоякина И.Е., Раева В.М. Оценка селективных свойств сульфолана // Тез. докл. II Междунар. научно-практической конф. студентов и молодых ученых (Актуальные проблемы и направления развития технологий органического и неорганического синтеза в условиях импортозамещения). Стерлитамак: Уфимский государственный нефтяной технический университет. 2022. С. 657.Suppino R. S., Cobo A.J.G. Influence of solvent nature on extractive distillation of the benzene hydrogenation products // Ind. Eng. Chem. Res. 2014. V. 53. № 42. Р. 16397. https://doi.org/10.1021/ie501753nRév E., Lelkes Z., Varga V., Stéger C., Fonyó Z. Separation of a minimum-boiling azeotrope in a batch extractive rectifier with an intermediate-boiling entrainer // Ind. Eng. Chem. Res. 2003. V. 42. № 1. Р. 162. https://doi.org/10.1021/ie020080aRodriguez-Donis I., Gerbaud V., Joulia X. Thermodynamic Insights on the Feasibility of Homogeneous Batch Extractive Distillation. 4. Azeotropic Mixtures with Intermediate Boiling Entrainer // Ind. Eng. Chem. Res. 2012. V. 51. № 18. Р. 6489. https://doi.org/10.1021/ie2019432Luyben W.L. Improved design of an extractive distillation system with an intermediate-boiling solvent // Sep. Purif. Technol. 2015. V. 156. № 2. P. 336. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2015.10.020Ma J., Li W., Ni Ch., Li Y., Huang Sh., Shen Ch., Xu Ch. Investigation of distillation systems using heavy or intermediate entrainers for separating toluene – methanol: process economics and control // J. Chem. Technol. Biotechnology. 2016. V. 91. № 7. P. 2111. https://doi.org/10.1002/jctb.4809Yue R., Lu K., Xu L., Yuan X. Design and control of a novel single-column extractive distillation with internally circulated intermediate boiling entrainer // Sep. Purif. Technol. 2023. V. 309. P. 123041. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.123041Benyounes H., Frolkova A.K. Aspects of Multicomponent Mixture Separation in the Presence of Selective Solvents // Chem. Eng. Communications. 2010. V. 197. P. 901. https://doi.org/10.1080/00986440903088561Raeva V.M., Sukhov D.I. Selection of extractive agents for the separation of chloroform – methanol – tetrahydrofuran mixture // Fine Chemical Technologies. 2018 V. 13. № 3. P. 30. [Раева В.М., Сухов Д.И. Выбор экстрактивных агентов для разделеня смеси хлороформ – метанол – тетрагидрофуран // Тонкие химические технологии. 2018. Т. 13. № 3. С. 30.] https://doi.org/10.32362/24106593-2018-13-3-30-40Raeva V.M., Gromova O.V. Separation of water – formic acid – acetic acid mixtures in the presence of sulfolane // Fine Chemical Technologies. 2019. V. 14. № 4. P. 24. [Раева В.М., Громова О.В. Разделение смеси вода – муравьиная кислота – уксусная кислота в присутствии сульфолана // Тонкие химические технологии. 2019. Т. 14. № 4. С. 24.] https://doi.org/10.32362/2410-6593-2019-14-4-24-32Raeva V.M., Dubrovsky A.M. Comparison of extractive distillation flowsheets for methanol – tetrahydrofuran – water mixtures // Fine Chemical Technologies. 2020. V. 15. № 3. P. 21. [Раева В.М., Дубровский А.М. Сравнение схем экстрактивной ректификации смесей метанол – тетрагидрофуран – вода // Тонкие химические технологии. 2020. Т. 15. № 3. С. 21.] https://doi.org/10.32362/2410-6593-2020-15-3-21-30Dong Y., Dai C., Lei Z. separation of the methanol–ethanol–water mixture using ionic liquid // Ind. Eng. Chem. Res. 2018. V. 57. № 32. P. 11167. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.8b01617Liu S., Wang Z., Zhu R., Le Z., Zhu J. [EMIM][DCA] as an entrainer for the extractive distillation of methanol – ethanol – water system // Green Energy Environment. 2021. V. 6. № 3. P. 363. https://doi.org/10.1016/j.gee.2020.12.022Thirumaran S., George Gene, Vijay S., Prakash N. Acoustical and thermodynamical studies of molecularinteractions in aqueous ethylene glycol at 303.15, 308.15 and 313.15K // Int. J. Pharm. Chem. Biol. Sci. 2013. V. 3. № 3. P. 488. URL: https://www.ijpcbs.com/archive/ijpcbs-volume-3-issue-3-year-2013.html (дата обращения 15.08.2023).Kostikova N.A., Glukhan E.N., Kazakov P.V., Antonova M.M., Klimov D.I. Assessment of resource-saving technologies in low-tonnage chemical industries for compliance with best available technologies principles // Fine Chemical Technologies. 2023. V. 18. № 3. P. 187. [Костикова Н.А., Глухан Е.Н., Казаков П.В., Антонова М.М., Климов Д.И. Оценка ресурсосберегающих технологий малотоннажных химических производств на соответствие принципам наилучших доступных технологий // Тонкие химические технологии. 2023. T. 18. № 3. С. 187.] https://doi.org/10.32362/2410-6593-2023-18-3-187-218https://doi.org/10.32362/2410-6593-2023-18-3-187-218Standard Reference Database of National Institute of Standards and Technology (NIST). 2022. № 69. https://doi.org/10.18434/T4D303Walas S. Phase Equilibria in Chemical Engineering Butterworth-Heinemann. 1985. [Уэйлес С. Фазовые равновесия в химической технологии. В 2 ч. / Пер. с англ. под ред. В.С. Бескова. М.: Мир, 1989.]Лупачев Е.В., Полковниченко А.В. Влияние экстрактивных агентов на разделение смеси 2.2.2-трифторэтанол – изопропанол // Сб. тр. Концепции современного образования: вопросы теории и практики. Казань: ООО “СитИвент”. 2020. С. 214.Анохина Е.А., Шлейникова Е.Л., Тимошенко А.В. Энергоэффективность комплексов с частично связанными тепловыми и материальными потоками в экстрактивной ректификации смеси метилацетат – хлороформ // Вестник МИТХТ им. М.В. Ломоносова. 2013. Т. 8. № 2. С. 18.Polkovnichenko A.V., Chelyuskina Т.V. Mutual transformations of α = 1 lines diagrams of butyl butyrate – butyric acid – separating agent systems // Chemistry and Technology of Organic Substances. 2021. V. 17. № 1. Р. 21. https://doi.org/10.54468/25876724_2021_1_21Momoh S.O. Assessing the accuracy of selectivity as a basis for solvent screening in extractive distillation processes // Sep. Sci. Technol. 1991. V. 26. № 5. P. 729. https://doi.org/10.1080/01496399108049911Raeva V.M., Sazonova A. Yu. Separation of ternary mixtures by extractive distillation with 1,2-ethandiol and glycerol // Chem. Eng. Res. Design. 2015. V. 99. P. 125. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2015.04.032