References

mireabulletin

Russian Technological Journal

2782-32102500-316X

RTU MIREA

10.32362/2500-316X-2017-5-3-138-150

mireabulletin-69

Research Article

К 70-ЛЕТИЮ МИРЭА

To the 70th anniversary of MIREA

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ КАК ИНСТРУМЕНТ РАЗРАБОТКИ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ РЕКТИФИКАЦИИ

SIMULATION AND OPTIMIZATION AS A TOOL FOR THE DEVELOPMENT OF HIGH EFFECTIVE TECHNOLOGICAL SCHEMES OF DISTILLATION

Тимошенко

А. В.

Timoshenko

A. V.

timoshenko@mitht.ru

Анохина

Е. А.

Anokhina

E. A.

noemail@neicon.ru

Московский технологический университет (Институт тонких химических технологий)РоссияMoscow Technological University (Institute of Fine Chemical Technologies)Russian Federation

2017

28062017

53138150

2017

Тимошенко А.В., Анохина Е.А.

Timoshenko A.V., Anokhina E.A.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/69

Ректификация является одним из наиболее распространенных методов разделения и очистки органических веществ в химической технологии. Этот метод, к сожалению, характеризуется высоким удельным энергопотреблением и низким коэффициентом полезного действия. Математическое моделирование технологических схем ректификации является эффективным методом совершенствования действующих и создания новых промышленных технологий. Одним из направлений совершенствования метода ректификации является разработка технических решений, повышающих КПД за счет приближения процесса к гипотетической термодинамически обратимой ректификации, в частности, путем применения сложных колонн с частично (Partially Thermally Coupled Distillation Systems, PTCDS) или полностью (Fully Thermally Coupled Distillation Systems, FTCDS) связанными тепловыми и материальными потоками. В работе освещаются вопросы синтеза и оптимизации технологических схем ректификации многотоннажных продуктов органического синтеза с целью снижения энергопотребления. Приведена процедура поэтапного преобразования традиционной схемы ректификации в схему PTCDS. Рассмотрены примеры расчета и оптимизации технологических схем обычной ректификации углеводородов С4-С6+ , а также экстрактивной ректификации бинарных азеотропных смесей с различными экстрактивными агентами. Показано, что применение систем с частично и полностью связанными тепловыми и материальными потоками обеспечивает значительное - до 30% - снижение энергопотребления.

Distillation is the most widely used methods to separate different industrial mixtures into pure components. This method has unfortunately been very energy intensive and requires a lot of heat. Mathematical modeling of the technological schemes of distillation is an effective method to improve existing and to create new industrial technologies. The work deals with the synthesis and optimization of the distillation schemes with the partially thermally coupled flows (PTCDS) to decrease energy consumption. An algorithm is presented of the step-by-step transformation of the technological scheme of conventional distillation into the PTCDS. Examples are given of several solutions for the separation of multicomponent hydrocarbon mixtures by conventional distillation and azeotropic mixtures of organic products by extractive distillation. The data are presented for the optimization algorithms of the PTCDS. A comparison is made of conventional and developed distillation schemes using the energy consumption criterion. It is shown that the systems with partially thermally coupled flows provides a significant up to 30% reduction in energy consumption.

математическое моделированиетехнологические схемыректификация

mathematical modelingtechnological schemes simulationdistillation

References1

Тимофеев В.С., Серафимов Л.А., Тимошенко А.В. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза. М.: Высшая школа, 2010. 408 с.

Тимошенко А.В., Анохина Е.А., Буев Д.Л. Применение графов траекторий ректификации для синтеза технологических схем разделения // Теор. основы хим. технологии. 2004. Т. 38. № 2. С. 172-175.

Olujic Z., Sun L., de Rijke A., Jansens P.J. Conceptual design of an internally heat integrated propylene-propane spliter // Energy. 2006. V. 31. № 15. P. 3083-3096.

Gadalla M., Jimenez L., Olujic Z., Jansens P.J. A thermo-hydrolic approach to conceptual design of an internally hear-integrated distillation column (i-HIDiC) // Comput. Chem. Eng. 2007. V. 31. № 10. P. 1346-1354.

Петлюк Ф.Б., Платонов В.М., Славинский Д.М. Термодинамически оптимальный способ разделения многокомпонентных смесей // Хим. пром. 1965. № 3. С. 206-211.

Adrian T., Schoenmakers H., Boll M. Model predictive control of integrated unit operations: Control of a divided wall column // Chem. Eng. Process. 2004. V. 43. P. 347-355.

Olujic Z., Judecke M., Shilkin A., Schuch G., Kaibel B. Equipment improvement trends in distillation // Chem. Eng. Process.: Process Intensification. 2009. V. 48. P. 1089-1104.

Parkinson G. Dividing-wall columns find greater appeal // Chem. Eng. Process. 2007. V. 46. P. 8-11.

Becker H., Godorr S., Kreis H., Vaughan J. Partitioned distillation columns - why, when & how // Chem. Eng. 2001. V.108. № 1. P. 68-74.

Тимошенко А.В., Серафимов Л.А. Стратегия синтеза множества схем ректификации зеотропных смесей // Хим. технология. 2001. № 6. С. 36-43.

Тимошенко А.В., Серафимов Л.А., Паткина О.Д. Синтез оптимальных схем ректификации, состоящих из колонн с различным числом секций // Теор. основы хим. технологии. 2001. T. 35. № 5. С. 485-491.

Serafimov L.A., Frolkova A.K. Fundamental principle of concentration-field redistribution between separation regions as a basis for the design of technological systems // Theor. Found. Chem. Eng. 1997. V. 31. № 2. P. 159-166.

Иванова Л.В., Тимошенко А.В. Тимофеев В.С. Синтез схем экстрактивной ректификации азеотропных смесей // Теор. основы хим. технологии. 2005. Т. 39. № 1. С. 19-26.

Тимошенко А.В., Анохина Е.А., Иванова Л.В. Комплексы экстрактивной ректификации, включающие сложные колонны с частично связанными тепловыми и материальными потоками // Теор. основы хим. технологии. 2005. Т. 39. № 5. С. 491-498.

Тимошенко А.В., Моргунов А.В., Анохина Е.А. Синтез схем экстрактивной ректификации азеотропных смесей в комплексах колонн с частично связанными тепловыми и материальными потоками // Теор. основы хим. технологии. 2007. Т. 41. № 6. С. 649-654.

Скворцова М.И., Тимошенко А.В., Рудаков Д.Г. Синтез технологических схем экстрактивной ректификации с частично связанными тепловыми и материальными потоками // Теор. основы хим. технологии. 2011. Т. 45. № 6. С. 653-668.

Анохина Е.А. Энергосбережение в процессах экстрактивной ректификации // Вестник МИТХТ. 2013. Т. 8. № 5. С. 3-19.

Тимошенко А.В., Ахапкина О.А., Матюшенкова Ю.В. Анализ эффективности ис-пользования комплексов с частично и полностью связанными тепловыми и материальными потоками в ЦГФУ нефтехимических предприятий // Хим. пром. сегодня. 2011. № 10. С. 43-51.

Agrawal R. Thermally coupled distillation with reduced number of intercolumn vapor transfers //AIChE Journal. 2000. V. 46. № 11. P. 2198-2210.

Тимошенко А.В., Ахапкина О.А., Анохина Е.А., Аристович Ю.В. Энергосберегающие подсистемы ректификации бутанов и пентанов // Хим. технология. 2012. Т. 13. № 11. С. 681-687.

Timoshenko A., Anokhina E., Akhapkina O. Energy-saving hydrocarbons distillation with the coupled heat and material flows // Chem. Eng. & Technol. 2016. V. 39. № 12. P. 2251-2264.

Li G., Bai P. New operation strategy for separation of ethanol-water by extractive distillation // Ind. Eng. Chem. Res. 2012. V. 51. № 6. P. 2723-2729.

Arifin S., Chien I-L. Design and control of an isopropyl alcohol dehydration process via extractive distillation using dimethtyl sulfoxide as an entrainer // Ind. Eng. Chem. Res. 2008. V. 47. № 3. Р. 790-803.

Wang S.-J., Huang H.-P., Yu Ch-Ch. Plantwide Design of Transesterification Reactive Distillation to Co-generate Ethyl Acetate and n-Butanol // Ind. Eng. Chem. Res. 2010. V. 49. №2. P. 750-760

Caballero J.A., Grossmann I.E., Design of distillation sequences: from conventional to fully thermally coupled distillation systems // Comput. Chem. Eng. 2004. V. 28. № 11. P. 2307-2329.

Caballero J.A., Grossmann I.E., Optimal synthesis of thermally coupled distillation sequences using a novel MILP approach // Comput. Chem. Eng. 2014. V. 61. P. 118-135.

Errico M., Rong B.-G., Synthesis of new separation processes for bioethanol production by extractive distillation // Sep. Purif. Technol. 2012. V. 96. № 21. P. 58-67.

Bravo-Bravo C., Segovia-Hernández J. G., Gutierrez-Antonio C., Duran A. L., Bonilla-Petriciolet A., Briones-Ramirez A. Extractive dividing wall column: Design and optimization // Ind. Eng. Chem. Res. 2010. V. 49. № 8. P. 3672-3688.

Kiss A.A., Suszwalak D. J.-P.C. Enhanced bioethanol dehydration by extractive and azeotropic distillation in dividing-wall columns // Sep. Purif. Technol. 2012. V. 86. P. 70-78.

Errico M., Rong B.-G., Tola G., Spano M. Optimal synthesis of distillation systems for bioethanol separation. Part 2. Extractive distillation with complex columns // Ind. Eng. Chem. Res. 2013. V. 52. № 4. P. 1620-1626.

Wang Z., Xu Q., Ho Th., Smith D.F. optimal retrofit design of crude distillation units for processing shale gas/natural gas condensate oil // Chem. Eng. Tech. 2015. V. 39. № 6. P. 1099-1110.

Lei Z., Zhoua R., Duana Z. Process improvement on separation C4 by extractive distillation // Chem. Eng. J. 2002. V. 85. № 2-3. P. 379-386.

Wentink A.E., Kuipers N.J.M., de Haan A.B., Scholtz J., Mulder H. Olefin isomer separation by reactive extractive distillation: Modeling of vapour-liquid equilibria and conceptual design for 1-hexene purification // Chem. Eng. Process. 2007. V. 46. № 9. P. 800-809.

Berg L. Separation of benzene and toluene from close boiling nonaromatics by extractive distillation // AIChE Journal. 1983. V. 29. № 6. P. 961-966.

Chen B., Lei Z., Li J. Separation of aromatics and non-aromatics by extractive distillation with NMP // Chem. Eng. Jpn. 2003. V. 36. № 1. P. 20-24.

Steltenpohl P., Chlebovec M., Graczova E. Simulation of toluene extractive distillation from a mixture with heptane // Chem. Pap. 2005. V. 59. № 6a. P. 421-427.

Ghaee A., Sotudeh-Gharebagh R., Mostoufi N. Dynamic optimization of the benzene extractive distillation unit // Braz. J. Chem. Eng. 2008. V. 25. № 4. P. 765-776.

Meirelles A., Weiss S., Herfurth H. Ethanol dehydration by extractive distillation // J. Chem. Technol. Biotechnol. 1992. V. 53. № 2. P. 181-188.

Анохина Е.А., Долматов Б.Б., Тимошенко А.В. Энергетическая эффективность экстрактивной ректификации смеси ацетон-хлоpофоpм в сложной колонне с боковой секцией // Хим. технология. 2008. № 8. С. 402-407.

Анохина Е.А., Панкова И.А., Тимошенко А.В. Исследование эффективности применения сложных колонн с боковой укрепляющей секцией для экстрактивной ректификации смеси ацетон-метанол различного исходного состава // Хим. пром. сегодня. 2009. № 3. С. 44-49.

Тимошенко А.В., Анохина Е.А., Тимофеев В.С. Способ разделения смеси ацетонхлороформ азеотропного состава экстрактивной ректификацией : пат. 2207896 Российская Федерация. № 2002107039; заявл. 21.03.2002; опубл.10.07.2003, Бюл. № 19. 4 с.

Hernández S. Analysis of energy-efficient complex distillation options to purify bioethanol // Chem. Eng. Technol. 2008. V. 31. № 4. P. 597-603.

Gutiérrez-Guerra R., Segovia-Hernández J.G., Hernández S., Reducing energy consumption and CO2 emissions in extractive distillation // Chem. Eng. Res. Des. 2009. V. 87. № 2. P. 145-152.

Серафимов Л.А. Термодинамико-топологический анализ диаграмм гетерогенного равновесия многокомпонентных смесей // Журн. физ. химии. 2002. Т. 76. № 8. С. 1351-1365.

Тимошенко А.В., Анохина Е.А., Григорьева А.А. Способ обезвоживания этанола экстрактивной ректификацией с этиленгликолем: пат. № 2454261 Российская Федерация.

Анохина Е.А., Сидорова Ю.И., Тимошенко А.В. Экстрактивная ректификация смеси ацетон - метанол с водой в комплексе с частично связанными тепловыми и материальными потоками // Вестник МИТХТ. 2011. Т. 6. № 5. С. 118-124.

Анохина Е.А., Тимошенко А.В., Новикова Е.Н. Влияние состава исходной смеси на энергетическую эффективность комплексов со связанными тепловыми и материальными потоками в экстрактивной ректификации смеси аллиловый спирт-аллилацетат / Материалы конф. РХТУ им. Д.И. Менделеева «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в химической и нефтехимической промышленности». Москва, 2006. С. 41-42.

Muñoz R., Montón J.B., Burguet M.C. Separation of isobutyl alcohol and isobutyl acetate by extractive distillation and pressure-swing distillation: Simulation and optimization // Sep. Purif. Technol. 2006. V. 50. P. 175-183.

Рудаков Д.Г., Анохина Е.А., Тимошенко А.В. Энергоэффективность комплексов с частично связанными тепловыми и материальными потоками в экстрактивной ректификации // Хим. технология. 2013. Т. 14. № 3. С. 163-171.

Анохина Е.А., Шлейникова Е.Л., Тимошенко А.В. Энергоэффективность комплексов с частично связанными тепловыми и материальными потоками в экстрактивной ректификации смеси метилацетат - хлороформ в зависимости от применяемого экстрактивного агента // Вестник МИТХТ. 2013. Т. 8. № 2. С. 18-25.

Anokhina Е., Timoshenko А. Criterion of the energy effectiveness of extractive distillation in the partially thermally coupled columns // Chem. Eng. Res. Des. 2015. V. 99. P. 165-175.

Timoshenko A., Anokhina E., Morgunov A., Rudakov D. Application of the partially thermally coupled distillation flowsheets for the extractive distillation of ternary azeotropic mixtures // Chem. Eng. Res. Des. 2015. V. 104. P. 139-155.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.