Design of a Rectification Plant for the Complex Separation of Propane-Butane Mixtures
This paper is devoted to the issues of designing and experimental research of a pilot-industrial rectification plant intended for the complex separation of propane-butane mixtures obtained during the preparation of natural gas and its liquefaction. The topic is considered relevant due to the urgent...
Gespeichert in:
| Datum: | 2026 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch Ukrainisch |
| Veröffentlicht: |
Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
2026
|
| Online Zugang: | https://journals.uran.ua/jme/article/view/367945 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Energy Technologies & Resource Saving |
| Завантажити файл: |  |
Institution
Energy Technologies & Resource Saving| _version_ | 1872008916488945664 |
|---|---|
| author | Симоненко, Ю. М. Грудка, Б. Г. Матвєєв, Е. В. |
| author_facet | Симоненко, Ю. М. Грудка, Б. Г. Матвєєв, Е. В. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Ю. М. Симоненко",
"institution": "Odesa National University of Technology"
},
{
"author": "Б. Г. Грудка",
"institution": "Odesa National University of Technology"
},
{
"author": "Е. В. Матвєєв",
"institution": "Odesa National University of Technology"
}
] |
| author_sort | Симоненко, Ю. М. |
| baseUrl_str | https://journals.uran.ua/jme/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-28T12:52:53Z |
| description | This paper is devoted to the issues of designing and experimental research of a pilot-industrial rectification plant intended for the complex separation of propane-butane mixtures obtained during the preparation of natural gas and its liquefaction. The topic is considered relevant due to the urgent need to use environmentally friendly natural refrigerants, such as propane (R290) and isobutane (R600a), which are becoming increasingly popular in refrigeration technology. The authors emphasize the importance of deep processing of hydrocarbon raw materials. Thus, multi-stage processing allows to significantly increase the added value of the final product - propane and high-purity butane. A theoretical justification for the choice of the technological scheme is provided in the paper. During preliminary calculations, it was established that due to the significant difference in the thermophysical properties of binary systems (propane-isobutane and propane-propylene), the use of one rectification column is ineffective. The designed plant includes two columns with different geometric parameters, filled with an irregular mesh packing, which ensures effective heat and mass transfer. Particular attention is paid to an innovative approach to the heat and cold supply system organizing. The developed system integrates two vapor-compression refrigeration units directly into the technological cycle of the columns. The evaporators of the refrigeration machines, built into the column condensers, allow to create a flow of reflux necessary for rectification, and the condensers of the machines supply heat to the column cubes. This approach allows to maintain stable pressure in the devices and flexibly regulate temperature levels. Experimental plant testing during the processing of "dirty" propane confirmed the design expectations: 99.9% purity of the target product was achieved. The technical possibility of further propane purifying to 99.96% by means of repeated distillation in the second column was shown. The plant has high flexibility, which enables waste-free processing of the initial feedstock with the release of butane, isobutane and propylene as independent commercial products by changing the operating temperature modes. The obtained results demonstrate the high efficiency of the proposed technical solutions for production facilities. |
| first_indexed | 2026-07-29T01:00:23Z |
| format | Article |
| fulltext |
AEROHYDRODYNAMICS AND HEAT-MASS TRANSFER
ISSN 2709-2984. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia, 2026, vol. 29, no. 2 6
DOI: https://doi.org/10.15407/pmach2026.02.006
UDC 66.048.37: 661.715.3
DESIGN
OF A RECTIFICATION
PLANT
FOR THE COMPLEX
SEPARATION
OF PROPANE-BUTANE
MIXTURES
Iurii M. Symonenko
iu.symonenko@gmail.com
ORCID: 0000-0002-7827-0591
Bohdan H. Hrudka
bogdangennadievich@gmail.com
ORCID: 0000-0003-1200-5442
Eduard V. Matvieiev
kriogen.magistr@gmail.com
ORCID: 0000-0003-0749-689X
Odesa National University
of Technology,
112, Kanatna Str., Odesa,
65039, Ukraine
This paper is devoted to the issues of designing and experimental research of a pilot-
industrial rectification plant intended for the complex separation of propane-butane
mixtures obtained during the preparation of natural gas and its liquefaction. The
topic is considered relevant due to the urgent need to use environmentally friendly
natural refrigerants, such as propane (R290) and isobutane (R600a), which are
becoming increasingly popular in refrigeration technology. The authors emphasize
the importance of deep processing of hydrocarbon raw materials. Thus, multi-stage
processing allows to significantly increase the added value of the final product -
propane and high-purity butane. A theoretical justification for the choice of the
technological scheme is provided in the paper. During preliminary calculations, it
was established that due to the significant difference in the thermophysical proper-
ties of binary systems (propane-isobutane and propane-propylene), the use of one
rectification column is ineffective. The designed plant includes two columns with
different geometric parameters, filled with an irregular mesh packing, which en-
sures effective heat and mass transfer. Particular attention is paid to an innovative
approach to the heat and cold supply system organizing. The developed system inte-
grates two vapor-compression refrigeration units directly into the technological
cycle of the columns. The evaporators of the refrigeration machines, built into the
column condensers, allow to create a flow of reflux necessary for rectification, and
the condensers of the machines supply heat to the column cubes. This approach
allows to maintain stable pressure in the devices and flexibly regulate temperature
levels. Experimental plant testing during the processing of "dirty" propane con-
firmed the design expectations: 99.9% purity of the target product was achieved.
The technical possibility of further propane purifying to 99.96% by means of re-
peated distillation in the second column was shown. The plant has high flexibility,
which enables waste-free processing of the initial feedstock with the release of bu-
tane, isobutane and propylene as independent commercial products by changing the
operating temperature modes. The obtained results demonstrate the high efficiency
of the proposed technical solutions for production facilities.
Keywords: rectification, propane-butane mixture, natural gas, natural refriger-
ants, packed column, heating and cooling supply.
Introduction
The modern development of global refrigeration and air conditioning technology is at the stage of
global transformation, driven by the strict requirements of international environmental agreements. Thus, ac-
cording to the provisions of such documents as the Montreal Protocol, the Kigali Amendment and European
regulations on fluorinated greenhouse gases (F-gases) [1], it is necessary to almost completely phase out not
only ozone-depleting substances, but also hydrofluorocarbons (HFCs), which have a high global warming po-
tential (GWP). In these conditions, a return to natural refrigerants is of particular relevance, among which pro-
pane (R290) and isobutane (R600a) occupy leading positions. They have zero ozone depletion potential
(ODP=0) and negligible global warming potential (GWP<3), and also demonstrate excellent thermodynamic
and thermophysical properties [2], which often exceed the indicators of synthetic analogues. The source for the
industrial production of such refrigerants is a wide fraction of light hydrocarbons, in particular the C2+ fraction
[3], which is released during the preparation of natural gas (NG) for main transportation or immediately before
its liquefaction (LNG production). The composition of the initial propane-butane mixtures, in addition to the
main components, usually includes a wide range of other associated hydrocarbons: ethane (R170), ethylene
(R1150), propylene (R1270) and normal butane (R600) [4]. Each of these compounds is a high-value raw mate-
rial for the petrochemical industry or a promising component for low-temperature working fluids. The current
state of development of the gas processing industry requires a transition from simple combustion or the use of
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Iurii M. Symonenko, Bohdan H. Hrudka, Eduard V. Matvieiev, 2026
АЕРОГІДРОДИНАМІКА ТА ТЕПЛОМАСООБМІН
ISSN 2709-2984. Проблеми машинобудування. 2026. Т. 29. № 2 7
propane-butane mixtures as low-quality fuel (LPG) [5]. Economic analysis of deep processing of hydrocarbons
clearly indicates that sequential multi-stage separation allows to dramatically increase the added value of the
final product. Passing 4–5 stages of separation and purification of raw materials increases the market value of
the obtained high-purity components by 8–10 times compared to the initial gas [6].
For clarity, let’s consider the classic technological chain: natural gas → ethane → ethylene → polyeth-
ylene → finished plastic products. The market value of pure olefins (ethylene and propylene) is approximately
three times higher than the cost of a mixture of propane and butane. Processing them into polymers (polyethyl-
ene, polypropylene) increases the cost by 7–8 times, and the output of finished products – by 12 times. Obtaining
high-purity propane fractions and isobutane-propane separated products (over 99.5–99.9%) opens direct access
to the high-tech refrigerant market. However, the main scientific and technical problem on the way to obtaining
individual hydrocarbons of propane purity is the complexity of their separation. Since propane-butane fractions
are multicomponent non-azeotropic mixtures with close boiling points of individual components (for example,
propane and propylene), their clear separation by classical methods of single distillation is impossible. It is nec-
essary to use rectification mass transfer devices. Traditional high-power rectification plants used in oil refineries
have huge dimensions, significant metal content and colossal energy consumption. However, for small-tonnage
production, local gas distribution stations or experimental and industrial facilities, flexible, compact and highly
efficient units are required. The use of packed columns (in particular, with irregular mesh packings) allows to
significantly intensify heat and mass transfer processes and reduce the dimensions of the equipment [7].
A separate critical challenge in the design of such small-sized units is the organization of thermody-
namically efficient heat supply and removal. Rectification requires constant heating of the column cube to
evaporate the mixture and simultaneous cooling of the dephlegmator (condenser) to create a reverse flow of
liquid (reflux). The creation of autonomous and energy-efficient heat and cold supply systems that integrate
refrigeration cycles directly into the rectification process circuit is an advanced research direction that allows
to utilize condensation heat and minimize external energy costs.
The paper is devoted to solving the specified scientific and technical tasks, namely the design, opti-
mization and experimental study of a pilot-industrial rectification plant for the complex separation of the
propane-butane fraction of natural gas into components. The main goal is to develop a highly efficient tech-
nological scheme based on two packed columns and an integrated vapor-compression refrigeration machine
capable of providing stable production of promising environmentally safe working fluids for refrigeration
equipment with a high degree of purity.
Design of a rectification plant
Preliminary calculations of packed col-
umns [6] showed that for the separation of the
propane-butane fraction with the removal of pro-
pane, due to the large difference in the thermo-
physical properties of the binary propane-
isobutane and propane-propylene mixtures
(Fig. 1), it is impossible to use a single column. At
least two columns with different diameter-height
ratios for the separation zone are required.
Table 1 shows the main geometric charac-
teristics of the packed columns adopted for manu-
facture. Both columns are filled with a mesh sad-
dle-shaped packing 10×10×0.2 mm. The overall
dimensions of the columns were limited by the
funds allocated for their manufacture.
A simplified diagram of the rectification
plant (a) and a design of the control panel (b) are
shown on Fig. 2. The first column is designed to
separate the heavy fraction from propane – isobu-
tane, butane and heavier hydrocarbons that are part
a b
Fig. 1. Equilibrium isobars of the propane-isobutane (a) [8] and
propylene-propane (b) systems [9]
AEROHYDRODYNAMICS AND HEAT-MASS TRANSFER
ISSN 2709-2984. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia, 2026, vol. 29, no. 2 8
of the fraction in micro concentrations.
The gaseous fraction (propane purified
from butanes) enters the second column
for the separation of propylene, ethylene,
ethane and lighter components of the
propane-butane mixture.
To ensure the operation of the
column, heat is constantly supplied to the
cube, and an equivalent amount of heat is
removed from the upper part (column
condenser), for example, using an exter-
nal refrigerant. Between the condenser
and the cube, there is a working part of
the packed column, where heat and mass
exchange takes place, filled with an ir-
regular packing. The diameter and height
of the working part are calculated values,
determined by the type of separated mix-
ture, balance equations and the type of
mass exchange surface.
In the column condenser, a liq-
uid that flows down the packing is
formed. The gas fraction contains prac-
tically no high-boiling impurities. The
liquid entering the cube contains almost
no propane. It evaporates when heat is
applied. Similar processes occur in the
second column.
Heat QX1 and QX2 removal from
the column dephlegmators is carried out
at temperatures 5–7 degrees lower than
the condensation temperature of the main
low-boiling component at operating pres-
sure (Fig. 3).
At the first stage, when obtaining
propane, cascade refrigeration cycles on
ammonia, propane or propylene in the
lower cascade can be used as a source of
cold [10]. When purifying from propyl-
ene – on propylene, ethane or ethylene. A
promising method of cooling at this stage
may be machine-free devices for transfer-
ring cold from a lower temperature level
(for example, from liquid nitrogen)
through an intermediary substance (ther-
mosiphon [11]).
However, the search for equip-
ment with specified characteristics
showed that it is possible to provide the
necessary cooling parameters (Table 2)
by using only a serial refrigeration unit.
Table 1. Geometric characteristics of rectification columns (mm)
of the pilot plan
Dimensions of heat exchangers Dimensions
of the packing part Height Device name
Height, h Diameter, d LД LК
Diameter
DD=DK
Column К1 4000 200 1300 1800 400
Column К2 6000 250 1300 1800 400
D – column condenser (dephlegmator); K – column cube
К1
К2
Initial
mixture
Low-
boiling
Target
component
HE
High-
boiling
Qx1
Qx2
Qt1 Qt2
А5
А4
А3
А2
А1
Д1 П24П21 П22
сх11
сх13
сх14
сх15
сх12
сх21
сх23
сх24
сх25
сх22
Д2
P4P3P2P1P0
K21 K22 K23K11 K12 K13
Б21 Б22Б11 Б12
dPн2 dPк2
dPк1
dPн1
П10
П12 П11 П13 П23
5
342
Ду15
П20
П0
8
1
14х1,5
20х1,5
42х1,4
Ф1
6
V2V1
7
1400*
12
00
*
3
70
0*
1
00
00
*
a b
Fig. 2. Simplified scheme (a) of obtaining propane from a mixture of C2+
hydrocarbons and the control panel of the plant (b), located in the lower
part of the cold unit:
K1, K2 – packed rectification columns; HE – recuperative heat exchanger
Fig. 3. Selection of refrigerant for the column cooling system [2]:
T1 and T2 – temperature difference between the condensation temperature
of propylene in the upper part of the column K2 and the refrigerant
Table 2. Operating parameters of the refrigeration machine
in different operating modes of the plant
Column
No. Technological process
First Second
1. Propane obtaining
1.1. Temperature level,С -30 ... -35 -35 ... -40
1.2. Cooling capacity, kW 15 30...45
2. Propylene purification
2.1. Temperature level,С -38 ... -45 -38 ... -45
2.2. Cooling capacity, kW 15 30...45
3. Isobutane obtaining
3.1. Temperature level,С -5 -10
3.2. Cooling capacity, kW 10…15 25…30
АЕРОГІДРОДИНАМІКА ТА ТЕПЛОМАСООБМІН
ISSN 2709-2984. Проблеми машинобудування. 2026. Т. 29. № 2 9
The heat and cold supply system (HCSS) of rectification units is developed on the basis of a vapor
compression refrigeration machine (VCRM) with a regenerative heat exchanger (RHE, Fig. 4, 5 [10]), built
into the rectification plant.
The working substance is compressed in the compressor (process 1–2) and enters the condenser of
the refrigeration machine, where it is liquefied (process 2–3). To increase the throttling effect, heat exchange
between the direct and reverse flows in the RHE is used (process 3–4). After throttling (process 4–5), the
working substance enters the VCRM evaporator located in the column condenser (process 5–6). The gas
heated in the RHE (process 6–1) is supplied to the column compressor for compression. To cool the column
condensers, an evaporator of the corresponding refrigeration machine is built into each of them. Due to this,
part of the substance condenses and a flow of reflux that irrigates the packings is created. To evaporate the
reflux in the cube zone, refrigeration machine condensers built into the column cubes are used. The heat of
the working substance condensation is supplied to the product.
Fig. 4. Traditional refrigeration
system diagram
Process in
condenser
P
ro
ce
ss
in
th
ro
ttl
e
Process in evaporator
QK = i2 – i3
Q0 = i6 – i5 L = i2 – i1
i
Lg(P)
3
4 2
6
15
tK, PK
t0, P0
Process in condenser
Cooling capacity
(Process in evaporator)
Т
s
Q0
6
1
1s
2
3
4
5
L
L
tH2O tK
Δ
t K
Δ
t 0t0
tcool
a b
Fig. 5. Refrigeration cycle in lgP-i (a) and T-s (b) diagrams
The cooling capacity 560 iiQ corresponds to the given heat flow required to cool the column
condenser QX. The heat flow from the VCRM condenser 32 iiQK is supplied to the column cube.
From the energy balance of the refrigeration cycle it follows that
)()( 125632 iiiiii
or
LQQK 0 , )
where L is a compressor operation.
The formulas show that more heat is removed in the refrigeration cycle than can be obtained in the
cold in the VCRM evaporator. If this balance does not correspond to the set one required for the rectification
process, excess heat may form in the column. As a result, the reflux will gradually evaporate, and the pres-
sure in the rectification apparatus will increase. To achieve stability in the column, part of the heat of the re-
frigeration cycle should be removed to the external water condenser, which is part of any refrigeration unit.
As a result of the conducted research, a serial compressor-receiver unit on R-22 AKR-50 was
adopted to ensure the rectification process [12].
As was shown above, the waste fractions obtained in the process of propane extraction contain other
valuable components. The main ones for the heavy fraction are butane and isobutane, for the light fraction -
propylene. For their processing, it is necessary to change the temperature level of cooling of the column con-
densers and supplying heat to the cubes (see Table 2).
Results of experimental studies
The results of propane purification with a purity of about 90% in a pilot plant are given in Table 3,
and Table 4 shows the parameters of the columns and HCSS.
A sample certificate for a multicomponent mixture used to obtain propane is shown on Fig. 6, a. The
plant's productivity for the initial mixture at the first stage corresponded to the design one – 30 nm3/h, the
purity of the product propane – 99.9%.
To obtain a product of 99.96% (Fig. 6, b), double distillation (further purification from propylene) is
required in the second column.
AEROHYDRODYNAMICS AND HEAT-MASS TRANSFER
ISSN 2709-2984. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia, 2026, vol. 29, no. 2 10
Table 3. Results of "dirty" propane processing
Composition
of the model mixture:
Product:
Methane – 0.31%
Ethane – 0.49%
Propane – 89.6%
i-Butane – 4.2%
n-Butane – 5.4%
Propane of 99.9% purity
Impurities:
ethane 351.18 ppm
propylene 325.18 ppm
isobutane 323 ppm
Propane productivity – 1200 kg per day
(50 kg/h=24.8 nm3/h)
Table 4. Column operating parameters supported during the
purification process
Parameter Column К1 Column К2
Column pressure (head) kg/cm2 2.62 2.57
Pressure of refrigerant R22
at the inlet to the VCRM
evaporator (p.5, fig.4) kg/cm2
1.88 0.55
Cooling temperature of К (С) 256 (-17) 243 (-30)
a b
Fig. 6. The initial product (a) and chromatogram of propane obtained during processing
in a pilot-scale rectification plant
Conclusions
Propane-butane mixtures, as a rule, also include other hydrocarbons that can be used as natural
working fluids of refrigeration machines. Since binary mixtures formed by the components of the mixture
are non-azeotropic, the extraction of each individual component is possible by phase separation methods. For
given conditions (low consumption), it is rational to use two columns filled with an irregular packing.
The system of supplying heat to the cube of the columns and removing heat from the condensers is
organized on the basis of two vapor-compressor refrigeration machines built into the technological cycle.
Testing of the pilot plant during the supply of the initial propane-butane mixture with a given pro-
ductivity showed that as a result of processing it is possible to obtain propane with a purity of 99.9%. The
purity of propane can be increased by repeated distillation in the second column.
The developed plant allows for waste-free processing of raw materials to obtain butane, isobutane
and propylene. To do this, it is needed to change the temperature level of cooling the column condensers and
supplying heat to the cubes.
References
1. (2021). UNEP (United Nations Environment Programme). Report of the technology and economic assessment
panel: Alternative refrigerants for high ambient temperature countries. Nairobi: UNEP, 184 p.
2. Lemmon, E. W., Huber, M. L., & McLinden, M. O. (2013). NIST Reference fluid thermodynamic and transport
properties (REFPROP. Version 9.1): U.S. Department of commerce. National Institute of Standards and Tech-
nology, Gaithersburg, Maryland.
АЕРОГІДРОДИНАМІКА ТА ТЕПЛОМАСООБМІН
ISSN 2709-2984. Проблеми машинобудування. 2026. Т. 29. № 2 11
3. Kidnay, A. J., Parrish, W. R., & McCartney, D. G. (2011). Fundamentals of natural gas processing (2nd ed.).
CRC Press, 574 р. https://doi.org/10.1201/b14397.
4. Green, D. W. & Southard, M. Z. (2018). Perry's chemical engineers': handbook. 9th edn. New York: McGraw-Hill
Education, 2272 р.
5. Kiss, A. A. Advanced distillation technologies: Design, control and applications. Chichester: John Wiley &
Sons, 418 p. https://doi.org/10.1002/9781118543702.
6. Symonenko, Yu. M. & Hrudka, B. H. (2026). Nasadkovi kolony v tekhnolohii otrymannia naturalnoho kholo-
doahentu – propanu (R290) [Packed columns in the production of natural refrigerant – propane (R290).]. Fizyka
aerodyspersnykh system – Physics of Aerodisperse Systems, vol. 64, pp. 30–40 (in Ukrainian).
https://doi.org/10.18524/0367-1631.2026.64.361461.
7. Gorak, A. & Sorensen, E. (2014). Distillation: Fundamentals and principles. Academic Press, 506 p.
https://doi.org/10.1016/C2010-0-66923-9.
8. Lim, J. S., Ho, Q. N., Park, J.-Y., & Lee, B. G. (2004). Measurement of vapor-liquid equilibria for the binary mixture
of propylene (R-1270) + propane (R-290). Journal of Chemical & Engineering Data, vol. 49, iss. 2, pp. 192–198.
https://doi.org/10.1021/je030106k.
9. Pu, X., Cao, R., Liu, Y., Hao, Y., Jiang, W., Wu, L., & Bai, Z. (2018). Precise correlation of propylene-propane
system and its analysis of relative volatility. Fluid Phase Equilibria, vol. 473, pp. 192–200.
https://doi.org/10.1016/j.fluid.2018.06.016.
10. Javed, A., Hassan, A., Babar, M., Azhar, U., Riaz, A., Mujahid, R., Ahmad, T., Mubashir, M., Lim, H. R.,
Show, P. L., & Khoo, K. S. (2022). Comparison of the exergy efficiencies of various heat-integrated distillation col-
umns. Energies, vol. 15, iss. 18, article 6498. https://doi.org/10.3390/en15186498.
11. Wagner, A. M. (2014). Review of thermosyphon applications. Report number: ERDC/CRREL-TR-14-1Affiliation:
Engineer Research and Development Center, Cold Regions Research and Engineering Laboratory, 37 p.
12. Razzaq, M. A., Ahamed, J. U., Hossain, M. A. M., Hossain, S. (2018). A review on hydrocarbon (HCS) as an al-
ternative refrigerant: based on thermodynamic and environmental approach. Mechanical Engineering Research
Journal, vol. 11, pp. 86–96.
Received 09 May 2026 Accepted 21 May 2026 Published 30 June 2026
Проєктування ректифікаційної установки для комплексного розділення пропан-бутанових сумішей
Ю. М. Симоненко, Б. Г. Грудка, Е. В. Матвєєв
Одеський національний технологічний університет,
65039, Україна, м. Одеса, вул. Канатна, 112
Дана робота присвячена питанням проєктування й експериментального дослідження дослідно-промислової
ректифікаційної установки, призначеної для комплексного розділення пропан-бутанових сумішей, що одержуються
при підготовці природного газу та його зрідження. Актуальність теми зумовлена гострою необхідністю
використання екологічно безпечних натуральних холодоагентах, таких, як пропан (R290) та ізобутан (R600a), які
стають все більш затребуваними в холодильній техніці. Автори наголошують на значущості глибокої переробки
вуглеводневої сировини. Так, багатоступенева переробка дозволяє суттєво підвищити додану вартість кінцевої
продукції – пропану й бутану високої чистоти. У статті надано теоретичне обґрунтування вибору технологічної
схеми. У ході попередніх розрахунків встановлено, що через значну різницю в теплофізичних властивостях бінарних
систем (пропан-ізобутан і пропан-пропілен) застосування однієї ректифікаційної колони неефективне.
Проєктована установка включає дві колони з різними геометричними параметрами, заповнені нерегулярною
сітчастою насадкою, що забезпечує ефективний тепломасообмін. Особливу увагу приділено інноваційному підходу
до організації системи теплохолодопостачання. Розроблена система інтегрує два парокомпресійні холодильні
агрегати безпосередньо в технологічний цикл колон. Випарники холодильних машин, вбудовані в конденсатори
колон, дозволяють створювати потік флегми, необхідної для ректифікації, а конденсатори машин підводять тепло
до кубів колон. Даний підхід дозволяє підтримувати стабільний тиск в апаратах та гнучко регулювати
температурні рівні. Експериментальна перевірка установки під час переробки «брудного» пропану підтвердила
проєктні очікування: досягнуто 99,9% чистоти цільового продукту. Показано технічну можливість доочищення
пропану до 99,96% за допомогою повторної перегонки у другій колоні. Установка має високу гнучкість, що
уможливлює безвідходну переробку вихідної сировини з виділенням бутану, ізобутану й пропілену як самостійних
AEROHYDRODYNAMICS AND HEAT-MASS TRANSFER
ISSN 2709-2984. Journal of Mechanical Engineering – Problemy Mashynobuduvannia, 2026, vol. 29, no. 2 12
товарних продуктів шляхом зміни робочих температурних режимів. Отримані результати демонструють високу
ефективність запропонованих технічних рішень для виробничих потужностей.
Ключові слова: ректифікація, пропан-бутанова суміш, природний газ, натуральні холодоагенти, наса-
дкова колона, теплохолодопостачання.
Література
1. UNEP (United Nations Environment Programme). Report of the technology and economic assessment panel: Al-
ternative refrigerants for high ambient temperature countries. Nairobi: UNEP, 2021. 184 p.
2. Lemmon E. W., Huber M. L., McLinden M. O. NIST Reference fluid thermodynamic and transport properties
(REFPROP. Version 9.1): U.S. Department of commerce. National Institute of Standards and Technology,
Gaithersburg, Maryland. 2013.
3. Kidnay A. J., Parrish W. R., McCartney D. G. Fundamentals of natural gas processing (2nd ed.). CRC Press, 2011.
574 р. https://doi.org/10.1201/b14397.
4. Green D. W., Southard M. Z. Perry's chemical engineers': handbook. 9th edn. New York: McGraw-Hill Education,
2018. 2272 р.
5. Kiss A. A. Advanced distillation technologies: Design, control and applications. Chichester: John Wiley & Sons, 2013.
418 p. https://doi.org/10.1002/9781118543702.
6. Симоненко Ю. М., Грудка Б. Г. Насадкові колони в технології отримання натурального холодоагенту –
пропану (R290). Фізика аеродисперсних систем. 2026. № 64. С. 30–40. https://doi.org/10.18524/0367-
1631.2026.64.361461.
7. Gorak A., Sorensen E. Distillation: Fundamentals and principles. Academic Press, 2014. 506 p.
https://doi.org/10.1016/C2010-0-66923-9.
8. Lim J. S., Ho Q. N., Park J.-Y., Lee B. G. Measurement of vapor-liquid equilibria for the binary mixture of propylene
(R-1270) + propane (R-290). Journal of Chemical & Engineering Data. 2004. Vol. 49. Iss. 2. Р. 192–198.
https://doi.org/10.1021/je030106k.
9. Pu X., Cao R., Liu Y., Hao Y., Jiang W., Wu L., Bai Z. Precise correlation of propylene-propane system and its
analysis of relative volatility. Fluid Phase Equilibria. 2018. Vol. 473. P. 192–200.
https://doi.org/10.1016/j.fluid.2018.06.016.
10. Javed A., Hassan A., Babar M., Azhar U., Riaz A., Mujahid R., Ahmad T., Mubashir M., Lim H. R., Show P. L.,
Khoo K. S. Comparison of the exergy efficiencies of various heat-integrated distillation columns. Energies. 2022.
Vol. 15. Iss. 18. Article 6498. https://doi.org/10.3390/en15186498.
11. Wagner A. M. Review of thermosyphon applications. Report number: ERDC/CRREL-TR-14-1Affiliation: Engi-
neer Research and Development Center, Cold Regions Research and Engineering Laboratory. 2014. 37 p.
12. Razzaq M. A., Ahamed J. U., Hossain M. A. M., Hossain S. A review on hydrocarbon (HCS) as an alternative re-
frigerant: based on thermodynamic and environmental approach. Mechanical Engineering Research Journal. 2018.
Vol. 11. P. 86–96.
|
| id | oai:ojs.journals.uran.ua:article-367945 |
| institution | Energy Technologies & Resource Saving |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | English Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-29T01:00:23Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | journalsuranua/c7/10cca4b9164c4403ae6cc166cc182dc7.pdf |
| spelling | oai:ojs.journals.uran.ua:article-3679452026-07-28T12:52:53Z Design of a Rectification Plant for the Complex Separation of Propane-Butane Mixtures Проєктування ректифікаційної установки для комплексного розділення пропан-бутанових сумішей Проєктування ректифікаційної установки для комплексного розділення пропан-бутанових сумішей Симоненко, Ю. М. Грудка, Б. Г. Матвєєв, Е. В. This paper is devoted to the issues of designing and experimental research of a pilot-industrial rectification plant intended for the complex separation of propane-butane mixtures obtained during the preparation of natural gas and its liquefaction. The topic is considered relevant due to the urgent need to use environmentally friendly natural refrigerants, such as propane (R290) and isobutane (R600a), which are becoming increasingly popular in refrigeration technology. The authors emphasize the importance of deep processing of hydrocarbon raw materials. Thus, multi-stage processing allows to significantly increase the added value of the final product - propane and high-purity butane. A theoretical justification for the choice of the technological scheme is provided in the paper. During preliminary calculations, it was established that due to the significant difference in the thermophysical properties of binary systems (propane-isobutane and propane-propylene), the use of one rectification column is ineffective. The designed plant includes two columns with different geometric parameters, filled with an irregular mesh packing, which ensures effective heat and mass transfer. Particular attention is paid to an innovative approach to the heat and cold supply system organizing. The developed system integrates two vapor-compression refrigeration units directly into the technological cycle of the columns. The evaporators of the refrigeration machines, built into the column condensers, allow to create a flow of reflux necessary for rectification, and the condensers of the machines supply heat to the column cubes. This approach allows to maintain stable pressure in the devices and flexibly regulate temperature levels. Experimental plant testing during the processing of "dirty" propane confirmed the design expectations: 99.9% purity of the target product was achieved. The technical possibility of further propane purifying to 99.96% by means of repeated distillation in the second column was shown. The plant has high flexibility, which enables waste-free processing of the initial feedstock with the release of butane, isobutane and propylene as independent commercial products by changing the operating temperature modes. The obtained results demonstrate the high efficiency of the proposed technical solutions for production facilities. Дана робота присвячена питанням проєктування й експериментального дослідження дослідно-промислової ректифікаційної установки, призначеної для комплексного розділення пропан-бутанових сумішей, що одержуються при підготовці природного газу та його зрідження. Актуальність теми зумовлена гострою необхідністю використання екологічно безпечних натуральних холодоагентах, таких, як пропан (R290) та ізобутан (R600a), які стають все більш затребуваними в холодильній техніці. Автори наголошують на значущості глибокої переробки вуглеводневої сировини. Так, багатоступенева переробка дозволяє суттєво підвищити додану вартість кінцевої продукції – пропану й бутану високої чистоти. У статті надано теоретичне обґрунтування вибору технологічної схеми. У ході попередніх розрахунків встановлено, що через значну різницю в теплофізичних властивостях бінарних систем (пропан-ізобутан і пропан-пропілен) застосування однієї ректифікаційної колони неефективне. Проєктована установка включає дві колони з різними геометричними параметрами, заповнені нерегулярною сітчастою насадкою, що забезпечує ефективний тепломасообмін. Особливу увагу приділено інноваційному підходу до організації системи теплохолодопостачання. Розроблена система інтегрує два парокомпресійні холодильні агрегати безпосередньо в технологічний цикл колон. Випарники холодильних машин, вбудовані в конденсатори колон, дозволяють створювати потік флегми, необхідної для ректифікації, а конденсатори машин підводять тепло до кубів колон. Даний підхід дозволяє підтримувати стабільний тиск в апаратах та гнучко регулювати температурні рівні. Експериментальна перевірка установки під час переробки «брудного» пропану підтвердила проєктні очікування: досягнуто 99,9% чистоти цільового продукту. Показано технічну можливість доочищення пропану до 99,96% за допомогою повторної перегонки у другій колоні. Установка має високу гнучкість, що уможливлює безвідходну переробку вихідної сировини з виділенням бутану, ізобутану й пропілену як самостійних товарних продуктів шляхом зміни робочих температурних режимів. Отримані результати демонструють високу ефективність запропонованих технічних рішень для виробничих потужностей. Дана робота присвячена питанням проєктування й експериментального дослідження дослідно-промислової ректифікаційної установки, призначеної для комплексного розділення пропан-бутанових сумішей, що одержуються при підготовці природного газу та його зрідження. Актуальність теми зумовлена гострою необхідністю використання екологічно безпечних натуральних холодоагентах, таких, як пропан (R290) та ізобутан (R600a), які стають все більш затребуваними в холодильній техніці. Автори наголошують на значущості глибокої переробки вуглеводневої сировини. Так, багатоступенева переробка дозволяє суттєво підвищити додану вартість кінцевої продукції – пропану й бутану високої чистоти. У статті надано теоретичне обґрунтування вибору технологічної схеми. У ході попередніх розрахунків встановлено, що через значну різницю в теплофізичних властивостях бінарних систем (пропан-ізобутан і пропан-пропілен) застосування однієї ректифікаційної колони неефективне. Проєктована установка включає дві колони з різними геометричними параметрами, заповнені нерегулярною сітчастою насадкою, що забезпечує ефективний тепломасообмін. Особливу увагу приділено інноваційному підходу до організації системи теплохолодопостачання. Розроблена система інтегрує два парокомпресійні холодильні агрегати безпосередньо в технологічний цикл колон. Випарники холодильних машин, вбудовані в конденсатори колон, дозволяють створювати потік флегми, необхідної для ректифікації, а конденсатори машин підводять тепло до кубів колон. Даний підхід дозволяє підтримувати стабільний тиск в апаратах та гнучко регулювати температурні рівні. Експериментальна перевірка установки під час переробки «брудного» пропану підтвердила проєктні очікування: досягнуто 99,9% чистоти цільового продукту. Показано технічну можливість доочищення пропану до 99,96% за допомогою повторної перегонки у другій колоні. Установка має високу гнучкість, що уможливлює безвідходну переробку вихідної сировини з виділенням бутану, ізобутану й пропілену як самостійних товарних продуктів шляхом зміни робочих температурних режимів. Отримані результати демонструють високу ефективність запропонованих технічних рішень для виробничих потужностей. Інститут енергетичних машин і систем ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України 2026-07-28 Article Article application/pdf application/pdf https://journals.uran.ua/jme/article/view/367945 Journal of Mechanical Engineering; Vol. 29 No. 2 (2026); 6-12 Проблемы машиностроения; Том 29 № 2 (2026); 6-12 Проблеми машинобудування; Том 29 № 2 (2026); 6-12 2709-2992 2709-2984 en uk https://journals.uran.ua/jme/article/view/367945/352968 https://journals.uran.ua/jme/article/view/367945/352969 Copyright (c) 2026 Ю. М. Симоненко, Б. Г. Грудка, Е. В. Матвєєв http://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0 |
| spellingShingle | Симоненко, Ю. М. Грудка, Б. Г. Матвєєв, Е. В. Design of a Rectification Plant for the Complex Separation of Propane-Butane Mixtures |
| title | Design of a Rectification Plant for the Complex Separation of Propane-Butane Mixtures |
| title_alt | Проєктування ректифікаційної установки для комплексного розділення пропан-бутанових сумішей Проєктування ректифікаційної установки для комплексного розділення пропан-бутанових сумішей |
| title_full | Design of a Rectification Plant for the Complex Separation of Propane-Butane Mixtures |
| title_fullStr | Design of a Rectification Plant for the Complex Separation of Propane-Butane Mixtures |
| title_full_unstemmed | Design of a Rectification Plant for the Complex Separation of Propane-Butane Mixtures |
| title_short | Design of a Rectification Plant for the Complex Separation of Propane-Butane Mixtures |
| title_sort | design of a rectification plant for the complex separation of propane-butane mixtures |
| url | https://journals.uran.ua/jme/article/view/367945 |
| work_keys_str_mv | AT simonenkoûm designofarectificationplantforthecomplexseparationofpropanebutanemixtures AT grudkabg designofarectificationplantforthecomplexseparationofpropanebutanemixtures AT matvêêvev designofarectificationplantforthecomplexseparationofpropanebutanemixtures AT simonenkoûm proêktuvannârektifíkacíjnoíustanovkidlâkompleksnogorozdílennâpropanbutanovihsumíšej AT grudkabg proêktuvannârektifíkacíjnoíustanovkidlâkompleksnogorozdílennâpropanbutanovihsumíšej AT matvêêvev proêktuvannârektifíkacíjnoíustanovkidlâkompleksnogorozdílennâpropanbutanovihsumíšej |