طراحی بهینۀ برج‌های تقطیر دیوارۀ‌‌میانی-مطالعۀ موردی سامانۀ بنزن، تولوئن و زایلین

نویسندگان

1 دانشگاه تهران

2 دانشگاه صنعتی سهند

چکیده

طراحی یک‌برج تقطیر دیوارۀ‌میانی برای جداسازی ترکیب سه‌جزئی بنزن، تولوئن و زایلین برای رسیدن به میزان خلوص نهایی حداقل 99% مولی بررسی شده‌است؛ اثر تغییر در ترکیب درصد خوراک ورودی بر روی سه ساختار توالی مستقیم، توالی غیرمستقیم و برج دیوارۀ‌­میانی و انتخاب ساختار بهینه برطبق نتایج حاصل از بهینه‌سازی باهدف حداقل‌سازی هزینه‌های سالانۀ کل مطالعه شده‌است. برای ساختار تک‌برجی، در حالتی‌که کسر مولی اجزای خوراک مساوی باشند، نشان داده‌شده است که امکان کاهش هزینۀ انرژی مصرفی در جوش‌آور تا حدود 30% و هزینۀ سرمایه‌گذاری اولیه در حدود 27% نسبت به ساختار توالی مستقیم وجود دارد؛ ولی این امکان برای تمامی شرایط خوراک ممکن نیست. استفاده از ساختار دیوارۀ‌میانی همواره باعث کاهش هزینه‌های انرژی مصرفی می‌شود ولی با درنظر گرفتن هزینه‌های سالانۀ کل به‌عنوان معیار تصمیم‌گیری، در حالتی‌که زایلین جزء غالب باشد ساختار غیرمستقیم مناسب‌تر است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The Optimal Design of the Dividing Wall Distillation Columns - Case Study of Benzene, Toluene and Xylene Separation

نویسندگان [English]

  • S. Abdolahpour 1
  • H. Ahmadian Behrooz 2
  • A. Fazeli 1
1 University of Tehran
2 Sahand University of Technology
چکیده [English]

The design of a dividing wall distillation column for the separation of the mixture of benzene, toluene and xylene has been studied to produce 99 mol% pure products. The effect of changes in the feed composition on three structures including direct sequence, indirect sequence and dividing wall column and also selection of the optimal structure on the basis of the optimization results have been studied to minimize the total annual cost. For the single column structure and equimolar feed, it has been shown that it is possible to reduce the energy consumption cost in the reboiler by about 30% and the initial investment cost by about 27% compared to the direct sequence structure. However, this is not true for all feed conditions. The dividing wall column structure always reduces energy costs, however, the indirect structure is more appropriate considering the total annual cost as the decision-making criterion when the xylene is the dominant feed component.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Dividing Wall Distillation Column
  • optimization
  • Thermal Coupling
  • Benzene
  • Toluene
  • Xylene
فلاح، ح.، ولی پور، م. ص.، "مدل‌سازی و بهینه‌سازی نیروگاه دودکش خورشیدی با الگوریتم‌های SA و PSO"، نشریۀ مدل‌سازی در مهندسی، 16 (53)، (1397).
[2]       پورمیرزاآقا، ه.، ابراهیمی، ر.، انصاری، ا. ب.،"تحلیل انرژی و اگزرژی سیستم ترکیبی توربین گازی مجهزبه پیل سوختی اکسید جامد "، نشریۀ مدل‌سازی در مهندسی، 15 (51)، (1396).
[3]        Young, H. K., "Energy Savings in the Benzene-Toluene-Xylene Separation Process Using an Extended Divided-Wall Column", Chemical Engineering & Technology, 39: pp. 2312– 2322, (2016).
[4]        Cui, C., Zhang, X., Sun, J., "Design and optimization of energy-efficient liquid-only side-stream distillation configurations using a stochastic algorithm", Chemical Engineering Research and Design, 145:
pp. 48–52, (2019).
[5]        Mustafa, M. F., Samad, N. A. F. A., Ibrahim, K. A., Ibrahim, N., Hamid, M. K. A., "Design of Energy Efficient Distillation Columns Systems", International Symposium on Green Manufacturing and Applications (ISGMA): pp. 66–69, (2014).
[6]        Mutalib, M. A., Smith, R., "Operation and control of dividing wall distillation columns: Part 1: Degrees of freedom and dynamic simulation", Chemical Engineering Research and Design, 76: pp. 308–318, (1998).
[7]        Jana, A. K., "A new divided-wall heat integrated distillation column (HIDiC) for batch processing: Feasibility and analysis", Applied Energy, 172:
pp. 199–206, (2016).
[8]        Zheng, L., Cai, W., Zhang, X., Wang, Y., "Design and control of reactive dividing-wall column for the synthesis of diethyl carbonate", Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 111: pp. 127–140, (2017).
[9]        Wang, S. J., Lee, C. J., Jang, S. S., Shieh, S. S., "Plant-wide design and control of acetic acid dehydration system via heterogeneous azeotropic distillation and divided wall distillation", Journal of Process Control, 18: pp. 45–60, (2008).
[10]      El-Gendy, E. M., Saafan, M. M., Elksas, M. S., Saraya, S. F., Areed, F. F., "New Suggested Model Reference Adaptive Controller for the Divided Wall Distillation Column", Industrial & Engineering Chemistry Research, 58: pp. 7247–7264, (2019).
[11]      Sánchez-Ramírez, E., Ramírez-Márquez, C., Quiroz-Ramírez, J. J., Angelina-Martínez, A. Y., Cortazar, V. V., Segovia-Hernández, J. G., "Design of dividing wall columns involving sustainable indexes for a class of quaternary mixtures", Chemical Engineering and Processing-Process Intensification, 148:
p. 107833, (2020).
[12]      Seihoub, F. Z., Benyounes, H., Shen, W., Gerbaud, V., "An improved shortcut design method of divided wall columns exemplified by a liquefied petroleum gas process", Industrial & Engineering Chemistry Research, 56: pp. 9710–9720, (2017).
[13]     رحیمی، ر.، البرزی، ا.، سودمند، م. ح.، زیودار، م.،" شناختی از برج‌های دیوار میانی و تأثیر آن بر کاهش انرژی مورد نیاز در فرایندهای تقطیر "، فصلنامۀ علمی ترویجی فرایند نو، 7 (38)، (1391).
[14]      Petlyuk, F. B., "Distillation theory and its application to optimal design of separation units", Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom, First Edition (2004).
[15]      Solar-Gonzalez, R., Monroy-Loperena, R.,
Velasco-Perez, A., "Simulation and Control Configuration of Integrated Three-Product (Petlyuk) Distillation Column", International Journal of Computer Science and Information Technologies, 2: pp. 847–852, (2011).
[16]      Dejanović, I., Matijašević, L., Halvorsen, I. J., Skogestad, S., Jansen, H., Kaibel, B., Olujić, Ž., "Designing four-product dividing wall columns for separation of a multicomponent aromatics mixture", Chemical Engineering Research and Design, 89:
pp. 1155–1167, (2011).
[17]      Muralikrishna, K., Madhavan, V. K. P., Shah, S. S., "Development of dividing wall distillation column design space for a specified separation", Chemical Engineering Research and Design, 80: pp. 155–166, (2002).
[18]      Szabó, L., Balaton, M., Németh, S., Szeifert, F., "Analysing divided wall columns", Clean Technologies and Environmental Policy, 13:
pp. 633–636, (2011).
[19]      Wright, R. O., "Fractionation apparatus", Google Patents, (1949).
[20]      Yildirim, Ö., Kiss, A. A., Kenig, E. Y., "Dividing wall columns in chemical process industry: a review on current activities", Separation and Purification Technology, 80: pp. 403–417, (2011).
[21]      Dejanović, I., Matijašević, L., Olujić, Ž., "Dividing wall column—a breakthrough towards sustainable distilling", Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 49: pp. 559–580, (2010).
[22]      Luyben, W. L., "Distillation design and control using Aspen simulation", John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, Second Edition, (2013).
[23]    Mathworks, Inc. Matlab. (2019).
[24]      Aspen Technology, Inc. Aspen Plus. (2019).