Структурный анализ фазовой диаграммы и оценка возможности ректификации многокомпонентных смесей

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Рассмотрены подходы к исследованию структуры диаграммы парожидкостного равновесия многокомпонентных систем как основы предсинтеза принципиальных технологических схем ректификации. Проведен анализ достоинств и недостатков существующих методик. Показана целесообразность использования различных методик в зависимости от специфики фазового поведения системы (наличие одной (двух) особой точки, внутренних сепаратрических многообразий). Выделена группа систем, проявляющих одноименные отклонения от идеальности (при отсутствии тройных азеотропов седловидного типа), для которой возможно проведение анализа структуры диаграммы на основе минимального объема доступной информации (температуры кипения компонентов и азеотропов). При этом не требуется геометрическое построение концентрационного симплекса, его разверток или отдельных составляющих системы. Предложенная методика анализа структуры диаграммы многокомпонентных систем проиллюстрирована на примере трех промышленных смесей разной компонентности.

About the authors

А. В. Фролкова

РТУ МИРЭА

Author for correspondence.
Email: frolkova_nastya@mail.ru

Институт тонких химических технологий им. М.В. Ломоносова

Russian Federation, Москва

References

  1. Тимофеев В.С., Серафимов Л.А., Тимошенко А.В. Принципы технологии основного органического и нефтехимического синтеза. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Высш. шк., 2010.
  2. Жаров В.Т., Серафимов Л.А. Физико-химические основы дистилляции и ректификации. Л.: Химия, 1975.
  3. Gmehling J., Kleiber M. Vapor–liquid equilibrium and physical properties for distillation. In: Gorak, A., Sorensen, E. (eds.) Distillation: Fundamentals and Principles, Elsevier, London. 2014.
  4. Kiss A.A. Advanced distillation technologies: design. Wiley, Chichester. 2013.
  5. Doherty M.F., Malone M.F. Conceptual design of distillation systems. McGraw-Hill, NY. 2001.
  6. Фролкова А.К. Разделение азеотропных смесей. Физико-химические основы и технологические приемы. М.: Гуманитар. изд. центр ВЛАДОС. 2010.
  7. 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/10.32362/2410–6593–2023–18–2–83–97 [Klauzner 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 Chem. Technol. 2023. V. 18. № 2. P. 83. https://doi.org/10.32362/2410–6593–2023–18–2–83–97].
  8. Тойкка А.М., Самаров А.А., Тойкка М.А. Фазовое и химическое равновесие в многокомпонентных флюидных системах с химической реакцией // Успехи химии. 2015. Т. 84. № 4. С. 378–392. https://doi.org/10.1070/RCR4515 [Toikka A.M., Samarov A.A., Toikka M.A. Phase and chemical equilibria in multicomponent fluid systems with a chemical reaction // Russ. Chem. Rev. 2015. V. 84. № 4. P. 378–392. https://doi.org/10.1070/RCR4515].
  9. 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/10.32362/2410–6593–2022–17–2–87–106 [Frolkova A.K., Frolkova A.V., Raeva V.M., Zhuchkov V.I. Features of distillation separation of multicomponent mixtures // Fine Chem. Technol. 2022. V. 17. № 2. P. 87. https://doi.org/10.32362/2410–6593–2022–17–2–87–106].
  10. Caballero J.A., Grossmann I.E. Design of distillation sequences: from conventional to fully thermally coupled distillation systems // Computers & chemical engineering. 2004. V. 28. № 11. P. 2307. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2004.04.010
  11. Khalili-Garakani A., Ivakpour J., Kasiri N. Three-component distillation columns sequencing: including configurations with divided-wall columns // Iran. J. Oil & Gas Sci. Technol. 2016. V. 5. № 2. P. 66. https://doi.org/10.22050/ijogst.2016.15799
  12. Пешехонцева М.Е., Маевский М.А., Гаганов И.С., Фролкова А.В. Области энергетического преимущества схем разделения смесей, содержащих компоненты с близкими летучестями // Тонкие химические технологии. 2020. Т. 15. № 3. С. 7. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2020-15-3-7-20 [Peshekhontseva M.E., Maevskiy M.A., Gaganov I.S., Frolkova A.V. Areas of energy advantage for flowsheets of separation modes for mixtures containing components with similar volatilities // Fine Chem. Technol. 2020. V. 15. № 3. P. 20. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2020-15-3-7-20].
  13. Фролкова А.В., Охлопкова Е.А., Фролкова А.К. Термодинамико-топологический анализ структуры фазовой диаграммы пятикомпонентной системы и синтез схемы разделения смеси органических продуктов // Химия и технология органических веществ. 2020. Т. 16. № 4. C. 15.
  14. Фролкова А.В., Ососкова Т.Е., Фролкова А.К. Термодинамико-топологический анализ фазовых диаграмм четырехкомпонетных систем с внутренними особыми точками // Теорет. основы хим. технологии. 2020. Т. 54. № 2. C. 289. https://doi.org/10.31857/S0040357120020049 [Frolkova A.V., Ososkova T.E., Frolkova A.K. Thermodynamic and topological analysis of phase diagrams of quaternary systems with internal singular points // Theor. Found. Chem. Eng. 2020. Т. 54. № 3. С. 407. https://doi.org/10.31857/S0040357120020049].
  15. Zhuchkov V.I., Malyugin, A.A., Frolkova A.V., Frolkova A.K. Double Ternary Azeotrope in the Benzene + Perfluorobenzene + Water System at 101 kPa // J. Chem. Eng. Data. 2020.V 65. P. 2002. https://doi.org/10.1021/acs.jced.9b01149
  16. Frolkova A.V., Zhuchkov V.I., Frolkova A.K. Experimental evidence for double quaternary azeotropy existence. Entropy. 2023. V. 25. P. 980. https://doi.org/10.3390/e25070980
  17. Серафимов Л.А. Термодинамико-топологический анализ и проблемы разделения многокомпонентных полиазеотропных смесей // Теор. основы хим. технологии. 1987. Т. 21. № 1. С. 74–85.
  18. Серафимов Л.А. Термодинамико-топологический анализ диаграмм гетерогенного равновесия многокомпонентных смесей // Журн. физ. химии. 2002. Т. 76. № 8. С. 1351. [Serafimov L.A. Thermodynamic and topological analysis of heterogeneous equilibrium diagrams of multicomponent mixtures // Russ. J. Phys. Chem. 2002. V. 76. № 8. P. 1211].
  19. Серафимов Л.А. Современное состояние термодинамико-топологического анализа фазовых диаграмм // Теор. основы хим. технологии. 2009. Т. 43. № 3. C. 284. https://doi.org/10.1134/S0040579509030051 [Serafimov L.A. State of the art in the thermodynamic and topological analysis of phase diagrams // Theor. Found. Chem. Eng. 2009. V. 43. № 3. С. 268. https://doi.org/10.1134/S0040579509030051].
  20. Млодзеевский А.Б. Геометрическая термодинамика. М.: Изд-во Моск. ун-та. 1956.
  21. Toikka A.M., Jenkins J.D. Conditions of thermodynamic equilibrium and stability as a basis for the practical calculation of vapour–liquid equilbria. // Chem. Eng. J. 2002. V. 89. № 1–3. P. 1–27.
  22. Safrit B.T., Westerberg A.W. Algorithm for generating the distillation regions for azeotropic multicomponent mixtures // Ind. Eng. Chem. Res. 1997. V. 36. P. 1827. https://doi.org/10.1021/ie960344r
  23. Ahmad B.S., Zhang Y., Barton P.I. Product sequences in azeotropic batch distillation // AIChE J. 1998. V. 44. № 5. P. 1051.
  24. Rooks R.E., Doherty M.F., Malone M.F., Julka V. Structure of distillation regions for multicomponent azeotropic mixtures // AIChE J. 1998. V. 44. № 6. P. 1382.
  25. Popken T., Gmehling J. Simple method for determining the location of distillation region Boundaries in quaternary systems // Ind. Eng. Chem. Res. 2004. V. 43. P. 777. https://doi.org/10.1021/ie030303c.
  26. Hegely L., Lang P. A new algorithm for the determination of product sequences in azeotropic batch distillation // Ind. Eng. Chem. Res. 2011. V. 50. № 22. P. 12757. https://doi.org/10.1021/ie2016575
  27. Blagov S., Hasse H. Topological analysis of vapor–liquid equilibrium diagrams for distillation process design // Phys. Chem. Chem. Phys. 2002. № 4. P. 896. https://doi.org/10.1039/b109541b
  28. Серафимов Л.А., Фролкова А.В., Медведев Д.А., Семин Г.А. Определение структуры диаграммы четырехкомпонентной смеси на основе ее развертки // Теорет. основы хим. технологии. 2012. Т. 46. № 2. С. 154. https://doi.org/10.1134/S0040579512020108 [Serafimov L.A., Frolkova A.V., Medvedev D.V., Semin G.A. Determining the structure of the distillation line diagram from its geometric development for four-component mixtures // Theor. Found. Chem. Eng. 2012. Т. 46. № 2. С. 120. https://doi.org/10.1134/S0040579512020108].
  29. Serafimov L.A., Frolkova A.V. Determination of vapor-liquid equilibrium diagrams of multicomponent systems // Chem. Pap. 2016. V.70. № 12. P. 1578. https://doi.org/10.1515/chempap-2016-0091
  30. Гаганов И.С., Белим С.С., Фролкова А.В., Фролкова А.К. Разработка схем разделения смеси получения фенола на основе анализа диаграмм фазового равновесия // Теор. основы хим. технологии. 2023. Т. 57. № 1. С. 38. https://doi.org/10.31857/S0040357123010049 [Gaganov 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. № 1. P. 35. https://doi.org/10.31857/S0040357123010049]
  31. Баутин Н.Н., Леонтович Е.А. Методы и приемы качественного исследований динамических систем на плоскости. 2-е изд. доп. М.: Наука, 1990.
  32. Zhuchkov V.I., Frolkova A.K. Heteroazeotropy in benzene–perfluorobenzene–water ternary system // Book of abstracts XX International conference of chemical thermodynamics in Russia (RCCT-2015), June 22–26, 2015. Nizhni Novgorod, p. 321.
  33. Фролкова А.К., Серафимов Л.А., Фролкова А.В., Шаронова Е.А. Топологический анализ диаграмм расслаивания многокомпонентных систем с бинодальными многообразиями закрытого типа // Теорет. основы хим. технологии. 2012. Т. 46. № 1. С. 49. https://doi.org/10.1134/S0040579512010046 [Frolkova A.K., Serafimov L.A., Frolkova A.V., Sharonova E.A. Enumeration of boundary constituents of the phase separation diagrams of multicomponent systems: systems with closed-type binodal manifolds // Theor. Found. Chem. Eng. 2012. Т. 46. № 1. С. 44. https://doi.org/10.1134/S0040579512010046].
  34. Серафимов Л.А., Фролкова А.К., Раева В.М. Изомерия как общенаучное понятие // Вестник МИТХТ. 2011. Т. 6. № 6. С. 54.
  35. 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.
  36. Фролкова А.В., Фролкова А.К., Жучков В.И., Махнарылова Е.Г. Гомология и изомерия структур фазовых диаграмм и технологических схем ректификации // Теор. основы хим. технологии. 2020. Т. 54. № 5. С. 544. https://doi.org/10.31857/S0040357120050061 [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. С. 818. https://doi.org/10.31857/S0040357120050061].
  37. Решетов С.А. Предсинтез схем ректификации многокомпонентных полиазеотропных смесей. М.: Гуманитар. изд. центр ВЛАДОС. 2014.
  38. Torres G., Apesteguia C.R., Cosimo J.I. Di. One-step methyl isobutyl ketone (MIBK) synthesis from 2-propanol: Catalyst and reaction condition optimization // Appl. Catal., A. 2007. V. 317. P. 161. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2006.10.010
  39. Zhigang L., Jianwei L., Chengyue L., Biaohua C. Improvement of separation process of synthesizing MIBK by the isopropanol one-step method // Korean J. Chem. Eng. 2006. V. 23. № 2. P. 264. https://doi.org/10.1007/BF02705725
  40. Cosimo J.I. D., Torres G., Apesteguia C. R One-step MIBK synthesis: a new process from 2-propanol // J. Catal. 2002. V. 208. P. 114. https://doi.org/10.1006/jcat.2002.3551
  41. Mayevskiy 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. № 39. P. 25365. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c03718
  42. Клейменова М.Н., Комарова Л.Ф., Лазуткина Ю.С. Технология переработки жидких отходов растворителей в производстве кремнийорганических эмалей // Экология и промышленность России. 2014. № 4. С. 11.
  43. Клейменова М.Н., Комарова Л.Ф., Лазуткина Ю.С. Создание ресурсосберегающих технологий в производстве кремнийорганических эмалей на основе ректификации. // Химия в интересах устойчивого развития. 2013. № 21. С. 211.
  44. Carotenuto G., Tesser R., Di Serio M., Santacesaria E. Kinetic study of ethanol dehydrogenation to ethyl acetate promoted by a copper/copper-chromite based catalyst // Catalysis Today. 2013. V. 203. P. 202. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2012.02.054
  45. Семёнов И.П., Писаренко Ю.А., Фролкова А.К. Разделение реакционной смеси процесса получения этилацетата дегидрированием этанола // Теор. основы хим. технологии. 2017. Т. 51. № 4. С. 411. https://doi.org/10.7868/S0040357117030113 [Semenov I.P., Pisarenko Y.A., Frolkova A.K. Separation of a reaction mixture of ethyl acetate production via ethanol dehydrogenation. Theor. Found. Chem. Eng. // 2017. Т. 51. № 4. С. 418. https://doi.org/10.7868/S0040357117030113].
  46. Серафимов Л.А., Фролкова А.К., Фролкова А.В. Интегральные инварианты Пуанкаре и разделяющие многообразия диаграмм открытого равновесного испарения // Теор. основы хим. технологии. 2013. Т. 47. № 2. С. 168. https://doi.org/10.7868/S004035711206022X [Serafimov L.A., Frolokova A.K., Frolkova A.V. Poincaré integral invariants and separating manifolds of equilibrium open evaporation diagrams // Theor. Found. Chem. Eng. 2013. Т. 47. № 2. С. 124. https://doi.org/10.7868/S004035711206022X].

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies