Исследование взаимосвязи состава водных смесей, содержащих сложные эфиры и спирты, с энергоэффективностью схем разделения

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В статье на примере водных систем, содержащих гомологи спиртов и алкилацетатов, показана возможность прогнозирования энергозатрат технологических схем разделения смесей разного состава. Предложены изомерные структуры схем выделения продуктов, базирующиеся на применении обычной и (авто)экстрактивной ректификации. Определены статические параметры работы колонн, обеспечивающие требуемое качество продуктовых потоков. Выявлены зависимости изменения суммарных энергозатрат схем от молекулярной массы компонентов-гомологов и состава исходных смесей.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

М. М. Сибирцев

МИРЭА – Российский технологический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: sibirtsev.98@mail.ru

Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова

Россия, Москва

А. К. Фролкова

МИРЭА – Российский технологический университет

Email: sibirtsev.98@mail.ru

Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова

Россия, Москва

Список литературы

  1. Фролкова А.К., Крупинова О.Н., Серафимов Л.А. Исследование гомологических рядов разделительных комплексов, основанных на кривизне разделяющего многообразия // Хим. пром. 1999. № 7. С. 33.
  2. Фролкова А.К. Разделение азеотропных смесей. Физико-химические основы и технологические приемы. М.: Гуманитар. изд. центр ВЛАДОС, 2010.
  3. Frolkova A.V., Frolkova A.K., Zhuchkov V.I., Makhnarilova Y.G. Homology and isomerism of the structures of phase diagrams and distillation flowsheets // Theor. Found. Chem. Eng. 2020. V. 54. № 5. P. 818.
  4. Химическая энциклопедия. Т. 2 / под ред. Кнунянца И.Л. М.: Научное изд-во “Большая Российская энциклопедия”, 1998.
  5. Серафимов Л.А., Фролкова А.К., Раева В.М. Изомерия как общенаучное понятие // Вестник МИТХТ. 2011. Т. 6. № 6. С. 54.
  6. Львов С.В. Некоторые вопросы ректификации бинарных и многокомпонентных смесей. М.: Изд. АН СССР, 1960.
  7. Серафимов Л.А., Мозжухин А.С., Науменкова Л.Б. Определение числа вариантов технологических схем ректификации n-компонентных зеотропных смесей // Теорет. основы хим. технологии. 1993. Т. 27. № 3. С. 292.
  8. Gardner M. Catalan Numbers. Ch. 20 in Time Travel and Other Mathematical Bewilderments. New York: W. H. Freeman. 1988. P. 253.
  9. Жаров В.Т., Серафимов Л.А. Физико-химические основы дистилляции и ректификации. Л.: Химия, 1975. 240 с.
  10. Shoutao M., Xianyong S., Lumin L., Yunfei S., Qi P., Lanyi S. Energy-saving thermally coupled ternary extractive distillation process using ionic liquids as entrainer for separating ethyl acetate-ethanol-water ternary mixture // Sep. Pur. Tech. 2019. V. 226. P. 337.
  11. Клинов А.В., Хайруллина А.Р., Малыгин А.В., Давлетбаева И.М. Экстрактивная ректификация азеотропной смеси этилацетат – этанол – вода в присутствии аминоэфира борной кислоты // Теорет. основы хим. технологии. 2023. Т. 57. № 6. С. 697.
  12. Zhaoyou Z., Yongsaeng R., Hui J., Xin L., Yong W., Yinglong W. Process evaluation on the separation of ethyl acetate and ethanol using extractive distillation with ionic liquid // Sep. Pur. Tech. 2017. V. 181. P. 44.
  13. Berg et al. Separation of n-propylacetate from n-propanol and water by extractive distillation // Pat. 4676874 USA. 1987.
  14. Zhang Z., Wu K., Qinqin Z., Tao Z., Debiao Y., Ru Y., Wenxiu L. Separation of ethyl acetate and ethanol azeotrope mixture using dialkylphosphates-based ionic liquids as entrainers // Fluid Phase Equilib. 2017. V. 454. P. 91.
  15. Lin H.M., Yeh C.E., Hong, G.B., Lee M.J. Enhancement of liquid phase splitting of water + ethanol + ethyl acetate mixtures in the presence of a hydrophilic agent or an electrolyte substance // Fluid Phase Equilib. 2005. V. 237. P. 21.
  16. Janakey V.K.P., Sai P.S.T., Balakrishna A.R. Heterogeneous azeotropic distillation for the separation of n-propanol + water mixture using n-propyl acetate as entrainer // Fluid Phase Equilibria. 2017. doi: 10.1016/j.fluid.2017.05.012.
  17. Yang J., Zhou M., Wang Y., Zhang X., Wu G. Simulation of Pressure-swing Distillation for Separation of Ethyl Acetate-Ethanol-Water // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2017. V. 274. P. 012026 doi: 10.1088/1757-899X/274/1/012026.
  18. Писаренко Ю.А., Кардона К.А., Серафимов Л.А. Реакционно-ректификационные процессы: достижения в области исследования и практического использования. М.: Луч, 2001.
  19. Назанский С.Л., Фролкова А.К., Жучков В.И. Создание технологии получения втор-бутилацетата на основе комплексного анализа реакционной и ректификационной составляющих // Известия Академии наук. Серия химическая. 2018. № 11. C. 1985.
  20. Yuanyuan C., Qingrui Z. Simulation, optimization and intensification of the process for co-production of ethyl acetate and amyl acetate by reactive distillation // Proc. Safety Env. Prot. 2023. V. 171. P. 607.
  21. González D., Bastidas P., Rodríguez G., Gil I. Design alternatives and control performance in the pilot scale production of isoamyl acetate via reactive distillation // Chem. eng. research and design. 2017. V. 123. P. 347.
  22. Chao W., Yu Z., Linlin L., Lei Z., Jian D. Design and comparison of energy-saving double column and triple column reactive-extractive hybrid distillation processes for ternary multi-azeotrope dehydration // Sep. Pur. Tech. 2021. V. 259.
  23. Yang S., Shirui S., Weifeng S., Mengna B., Jingzheng R. Towards sustainable separation of the ternary azeotropic mixture based on the intensified reactive-extractive distillation configurations and multi-objective particle swarm optimization // J. Clean. Prod. 2022. V. 332. P. 130116.
  24. Penkova A.V., Polotskaya G.A., Toikka A.M. Separation of acetic acid – methanol – methyl acetate–water reactive mixture // Chem. Eng. Science. 2013. V. 101. P. 586. doi: 10.1016/j.ces.2013.05.055
  25. Jozsef Toth A. Comprehensive evaluation and comparison of advanced separation methods on the separation of ethyl acetate-ethanol-water highly non-ideal mixture // Sep. Pur. Tech. 2019. doi: https://doi.org/10.1016/j.seppur.2019.05.051
  26. Серафимов Л.А., Фролкова А.К. Фундаментальный принцип перераспределения полей концентраций между областями разделения как основа создания технологических комплексов // Теорет. основы хим. технологии. 1997. Т. 31. № 2. С. 193.
  27. Фролкова А.В., Аблизин М.А., Маевский М.А., Фролкова А.К. Поливариантность расчета материальных балансов схем разделения трехкомпонентных смесей различной физико-химической природы // Тонкие хим. техн. 2016. Т. 11. № 3. С. 47.
  28. Жучков В.И., Назанский С.Л., Солохин А.В., Фролкова А.К. Исследование азеотропии в системе н-бутанол – н-бутилацетат – вода // Химия и технология органических веществ. 2022. Т. 21 № 1. C. 12.
  29. Ch´afer J., Monton J.B., Lladosa E. Liquid–liquid equilibria of the systems isobutyl acetate + isobutyl alcohol +water and isobutyl acetate + isobutyl alcohol + glycerol at different temperatures // Fluid Phase Equilibria. 2008. V. 265. P. 122.
  30. Iglesias M., Gonzalez-Olmos R., Goenaga J.M., Resa J.M. Phase behaviour of ethanol + water + ethyl acetate at 101.3 kPa // Physics and Chemistry of Liquids: An International Journal. 2010. V. 48. P. 461. doi: 10.1080/00319100903096539.
  31. Cehreli S., Ozmen D., Dramur U. Liquid + liquid equilibria of water + 1-propanol + solvent at T = 298.2K // Fluid Phase Equilib. 2006. V. 239. P. 156.
  32. Zhang L., Liao Z., Zhu C., Yu Y., Li Q. Determination and Correlation of Liquid–Liquid Equilibria Data for Ternary System Isopropyl Acetate + Isopropanol + Water at Different Temperatures // J. Chem. Eng. Data. 2019. V. 64. P. 972.
  33. Toikka A., Toikka M. Phase transitions and azeotropic properties of acetic acid–n-propanol–water–n-propyl acetate system // Fluid Phase Equilib. 2006. V. 250. P. 93.
  34. Toikka A.M., Toikka M.A., Pisarenko, Yu.A., Serafimov L.A. Vapor–liquid equilibria in systems with esterification reaction // Theor. Found. Chem. Eng. 2009. V. 43. Р. 129.
  35. Сибирцев М.М., Фролкова А.К. Диаграммы фазового равновесия и особенности ректификационного разделения смесей, получаемых в процессе этерификации уксусной кислоты спиртами С1-С4 // Материалы конференции “Ломоносов-2023”. М.: изд. Перо, 2023. С. 1105.
  36. Вайсбергер А., Проскауэр Э., Риддик Д., Тупс Э. Органические растворители: Физические свойства и методы очистки. М.: Изд-во иностранной литературы, 1958.
  37. Тимофеев В.С., Серафимов Л.А., Тимошенко А.В. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза. М.: Высшая школа, 2010.
  38. Мозжухин А.С., Митропольская В.А., Тихонова Н.К. Анализ структуры диаграмм парожидкостного равновесия. М.: МИТХТ, 1988.
  39. Фролкова А.В. Теоретические основы разработки схем разделения многокомпонентных смесей органических продуктов с использованием структурно-системного анализа фазовых диаграмм. Дисс. … докт. техн. наук. М.: 2022.
  40. Frolkova A.V., Frolkova A. K., Sibirtsev M., Lysenko K. The Material Balance of Complex Separation Flowsheets // Processes. 2024. V. 12. P. 821. https://doi.org/10.3390/pr12040821
  41. Фролкова А.К., Серафимов Л.А., Павленко Т.Г. Определение условий существования стационарных режимов работы комплексов с рециклами для разделения тройных смесей // Теорет.основы хим. технологии. 1992. Т. 26. № 2. С. 281.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Фазовые диаграммы трехкомпонентных систем, содержащих алкилацетаты и спирты нормального (а-в) и изостроения (г-д) при 1 атм (равновесие жидкость-жидкость при 20ºС); (е) – топологическая структура фазовой диаграммы класса 3.3.1 – тип 2.

Скачать (1MB)
Метаданные
3. Рис. 2. Структуры схем обычной ректификации смесей разного состава, ориентированные на реализацию четких I (ОР-1, ОР-2) и II (ОР-3, ОР-4) заданных разделений.

Скачать (395KB)
Метаданные
4. Рис 3. Ход αij-линий бинарных составляющих эфир (1) – спирт (2) и спирт (2) – вода (3) в исходных системах, содержащих компоненты нормального строения (а, б) и изостроения (в, г) при 1 атм.

Скачать (1MB)
Метаданные
5. Рис. 4. Структуры схем разделения тройных смесей, базирующиеся на применении специальных методов ректификации.

Скачать (380KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимости суммарных энергозатрат схемы А на разделение исходных смесей закреплeнного состава, содержащих компоненты-гомологи нормального и изостроения: (пунктир, штрихпунктир – линии тренда).

Скачать (134KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025