Особенности ректификационного разделения многокомпонентных смесей

Objectives. To improve the process of developing energy-efficient flowsheets for the distillation separation of multicomponent aqueous and organic mixtures based on a comprehensive study of the phase diagram structures, including those in the presence of additional selective substances.Methods. Thermodynamic-topological analysis of phase diagrams; modeling of phase equilibria in the AspenTech software package using the equations of local compositions: Non-Random Two Liquid and Wilson; computational experiment to determine the column parameters for separation flowsheets of model and real mixtures of various nature.Results. The fractionation conditions of the origin multicomponent mixture due to the use of sharp distillation, pre-splitting process, extractive distillation with individual and binary separating agents were revealed. The columns operation parameters and the energy consumption of the separation flowsheets ensuring the achievement of the required product quality with minimal energy consumption were determined.Conclusions. Using the original methods developed by the authors earlier and based on the generalization of the results obtained, new approaches to the synthesis of energy-efficient multicomponent mixtures separation flowsheets were proposed. The provisions that form the methodological basis for the development of flowsheets for the separation of multicomponent mixtures and supplement the standard flowsheet synthesis plan with new procedures were formulated.Цели. Совершенствование процесса разработки энергоэффективных схем ректификационного разделения многокомпонентных водных и органических смесей на основе комплексного исследования структуры фазовой диаграммы, в том числе в присутствии селективных дополнительных веществ.Методы. Термодинамико-топологический анализ фазовых диаграмм; моделирование фазовых равновесий в программном комплексе AspenTech с использованием уравнений локальных составов Non-Random Two Liquid, Вильсона; вычислительный эксперимент по определению параметров работы колонн схем разделения модельных и реальных смесей разной природы.Результаты. Выявлены условия фракционирования исходной многокомпонентной смеси за счет использования промежуточного заданного разделения, предварительного расслаивания, экстрактивной ректификации с индивидуальными и бинарными разделяющими агентами. Определены параметры работы колонн и энергозатраты схем разделения, обеспечивающие достижение требуемого качества продуктов при минимальных энергозатратах.Выводы. С использованием разработанных ранее авторами оригинальных методик и на основе обобщения полученных результатов предложены новые подходы к синтезу энергоэффективных схем разделения многокомпонентных смесей. Сформулированы положения, которые составляют методологическую основу разработки принципиальных схем разделения многокомпонентных смесей и дополняют типовой план синтеза схем новыми процедурами

СИНТЕЗ СХЕМ РАЗДЕЛЕНИЯ РАССЛАИВАЮЩИХСЯ СМЕСЕЙ: СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

The paper presents an analysis of the current state of research on separation flowsheets based on the combination of distillation and phase separation processes, as well as heteroazeotropic distillation. It is shown that the works of foreign researchers devoted to the study of flowhseets with decanters are more focused on finding ways to reduce energy consumption by introducing additional separators, a combination of several methods (extractive and heteroazeotropic complex columns with external decanters. The task of synthesizing all possible separation flowsheets is not considered in these works. In this paper, a complete set of flowsheets of different structures based on the combination of distillation and phase separation processes, including the use of columns with an external decanter, is proposed for water - butyl acetate - methanol and methanol - heptane-water ternary mixtures separation. Aspen Plus and NRTL model were used for mathematical modelling of phase equilibrium (the relative error of describing liquid-vapor and liquid-liquid equilibrium is less than 5%) was chosen as a method of research. Operating parameters for distillation columns (the number of theoretical plates, feed plate, reflux ratio) and the total energy consumption were obtained for each case. The necessity of using a double feed-plate column for separating of propanol-1 - water - butanol-1 and ethyl acetate - water - butyl acetate ternary systems was explained by the presence of extractive effect. Analytical review of modern publications and results of own research allowed to formulate a number of recommendations for the synthesis of energy effective flowsheets based on a combination of distillation and phase separation processes.Представлен анализ современного состояния исследования структур схем разделения, основанных на сочетании ректификации и расслаивания, а также использовании гетероазеотропной ректификации. Показано, что работы зарубежных авторов, посвященные исследованию схем с сепараторами, в большей степени ориентированы на поиск путей снижения энергозатат путем введения дополнительных сепараторов, сочетания нескольких методов (экстрактивная и гетероазеотропная ректификация), использования сложных колонн с выносными сепараторами. Задача синтеза всего множества схем в этих работах не ставится. В настоящей работе синтезировано полное множество схем разделения различной структуры, основанных на сочетании ректификации и расслаивания, в том числе с использованием колонн с выносным сепаратором, для трехкомпонентных смесей вода - бутилацетат - метанол и метанол - гептан - вода. В качестве метода исследования выбрано математическое моделирование в программном комплексе AspenPlus с использованием уравнения локальных составов NRTL (относительная ошибка описания равновесий жидкость-пар и жидкость-жидкость не превышает 5%). Подобраны параметры работы ректификационных колонн(число теоретически тарелок, тарелка питания, флегмовое число) и определены суммарные энергозатраты, обеспечивающие получение веществ чистотой, отвечающих ГОСТ. Проведен сравнительный анализ схем различной структуры. Для систем пропанол-1 - вода - бутанол-1, этилацетат - вода - бутилацетат обоснована необходимость разновысотной подачи исходной смеси и разделяющего агента, обусловленная наличием экстрактивного эффекта. Аналитический обзор современных публикаций (2010-2017 гг.) и результаты собственных исследований позволили сформулировать ряд рекомендаций по синтезу энергоэффективных схем, основанных на сочетании ректификации и расслаивания