Энергосбережение в процессах ректификации бинарных и многокомпонентных смесей

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшегопрофессионального образования «Московский государственный университеттонких химических технологий имени М.В. Ломоносова»На правах рукописиАббаси Моханд Кадир БакиЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ПРОЦЕССАХ РЕКТИФИКАЦИИ БИНАРНЫХ ИМНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ05.17.08-Процессы и аппараты химических технологийДиссертация на соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель: доктор технических наукпрофессор Захаров М.К.Москва 20142ОглавлениеВведение ..........................................................................................................................

4 ГЛАВА 1. АНАЛИЗ НАУЧНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ВОПРОСАМЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ РЕКТИФИКАЦИИ ............................................... 6 1.1.  Термодинамически обратимая ректификация ................................................. 9 1.1.1.  Основные положения термодинамически обратимой ректификации ....

9 1.1.2. Практическая реализация принципов термодинамически обратимойректификации ............................................................................................................. 12 1.2.  Рекуперация теплоты уходящих потоков и применение тепловыхнасосов в процессах ректификации.......................................................................... 16 1.3.  Другие энергосберегающие схемы разделения методом ректификации.... 21 1.3.1.  Ступенчатый отвод и подвод тепла .......................................................... 22 1.3.2.  Разрезные колонны..................................................................................... 23 1.3.3.  Схемы с обратимым смешением потоков................................................

26 1.3.4.  Схемы неадиабатической ректификации................................................. 30 1.3.5.  Конденсационно-испарительная схема разделения ............................... 35 1.4.  Многоцелевые колонны и процесс интеграции ............................................ 38 1.5.  Внутренне тепло-интегрированные колонны HIDiC .................................... 40 1.6.  Многоколонная ректификационная установка при разделениибинарных смесей ........................................................................................................

41 1.7.  О минимальных затратах энергии в ректификационных колоннахПетлюка ....................................................................................................................... 45 Заключение ................................................................................................................. 48 ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЗАТРАТ ТЕПЛОТЫ ПРИРЕКТИФИКАЦИИ БИНАРНЫХ СМЕСЕЙ .........................................................

50 2.1. Количественная оценка качества разделения бинарных смесей ................... 51 2.2 Оценка затрат теплоты при разделении бинарной смеси методомректификации ............................................................................................................. 55 32.3.Теоретический анализ затрат теплоты на ректификацию при различныхсостояниях исходной бинарной смеси [44] .............................................................

60 2.4 Сравнение реальных затрат теплоты на ректификацию при подачепитания в виде парожидкостной смеси с разной долей пара [47] ........................ 68 ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВНУТРЕННЕГОЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ РЕКТИФИКАЦИИ ............................................. 89 3.1. Тепломассообмен на тарелках ........................................................................... 89 3.2. Внутреннее энергосбережение в колонне ........................................................ 92 3.3. Внутреннее энергосбережение в системе колонн ...........................................

94 ГЛАВА 4. РАСЧЕТНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ .................. 97 4.1 Энергосбережение и затраты теплоты при ректификации бинарныхсмесей .......................................................................................................................... 97 4.1.1. Подача в колонну исходной смеси при температуре кипения ................. 97 4.1.2.  Влияние агрегатного состояния исходной смеси на внутреннееэнергосбережение и затраты теплоты при ректификации ................................ 100 4.2. Энергосбережение и затраты теплоты при ректификации тройныхсмесей ........................................................................................................................ 110 Заключение .................................................................................................................

113 Список основных сокращений и условных обозначений ................................. 115 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................................................... 117 4ВведениеПроблема уменьшения энергозатрат в различных отраслях промышленностиотносится и к химическим производствам, в которых значительная доля затратпринадлежит процессам разделения смесей как при получении чистых готовыхпродуктов, так и на стадиях подготовки сырья.Среди существующих методов разделения жидких смесей процесс ректификацииявляется одним из наиболее энергоёмких из-за высокой теплоты парообразованиякомпонентов смеси. В научной литературе вопрос разработки энергосберегающихспособов ведения процессов ректификации рассматривается многими учёными.Работа по поиску оптимальных энергосберегающих способов ведения процессаректификации будет более плодотворной, если знать как влияют на затраты теплоты вкипятильнике ректификационной колонны следующие факторы:- способность жидких смесей разделяться методом перегонки на отдельныекомпоненты;- чистота получаемых продуктов разделения;- энергетический уровень исходной смеси.Цель данной работы – исследование влияния различных параметров веденияпроцессаректификацииназатратытеплотывкипятильникеиразработкаэнергосберегающих способов организации процесса.Для этого были поставлены следующие задачи:- исследовать влияние различных факторов на затраты теплоты в кипятильнике;- изучить внутреннее энергосбережение в ректификационной колонне;- выявить зависимость затрат теплоты на разделение жидких смесей методомректификации от внутреннего энергосбережения в колонне.Научная новизна.1.

Предложена количественная оценка качества разделения (критерий разделения),величина которой для бинарных смесей зависит от составов исходной смеси ипродуктов разделения.2. Введена новая характеристика способности жидких бинарных смесей разделятьсяметодами перегонки.53.

Проанализированызависимостиминимальныхудельныхзатраттеплотывкипятильнике ректификационных колонн от разделяемости и состава исходной смеси, атакже от чистоты получаемых продуктов.4. Найдено граничное значение коэффициента избытка флегмы, больше которогопредварительнаяконденсацияисходнойпарожидкостнойсмесиприводиткуменьшению затрат теплоты в кипятильнике.5. Выявлен механизм внутреннего энергосбережения на тарелках ректификационныхколонн.6. Предложены выражения для количественной оценки внутреннего энергосбереженияв отдельной колонне и ректификационной установке из нескольких колонн.Теоретический анализ затрат теплоты на разделение бинарных смесей приразличных составах и состояниях исходной смеси позволил выявить ряд моментов,имеющих практическую значимость.

Например, найдены условия, при которых дляуменьшения затрат теплоты в кипятильнике исходная паровая смесь перед подачей вректификационную колонну должна быть предварительно сконденсирована.Основная практическая значимость работы заключается в том, что выполненныйанализ внутреннего энергосбережения и предложенные количественные оценки этогоявления позволяют наилучшим образом организовать потоки жидкости и пара внутриколонны,иснаружи(ипотокимеждуколоннами)сцельюразработкиэнергосберегающих схем ректификации.При решении поставленных задач в работе использованы фундаментальныеположения теории процессов ректификации, методы математического описания тепло–и массообмена на тарелках ректификационных колонн.

Полученные теоретическиезависимости подтверждены расчётно–вычислительным экспериментом.Привыполнениирасчётно–вычислительногоэкспериментаиспользовалилицензионное программное обеспечение Aspen Plus.Результаты работы доложены на двух конференциях:- IV Всероссийская конференция по химической технологии, Москва, 2012.- III Международная научно–техническая конференция «Нестационарные, энерго– иресурсосберегающие процессы и оборудование в химической, нано– и биотехнологии»,Москва, 2013.6ГЛАВА 1АНАЛИЗ НАУЧНОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ПО ВОПРОСАМЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ РЕКТИФИКАЦИИПродукция химической, нефтеперерабатывающей и ряда других отраслейпромышленности отличается повышенным сырьевым и энергетическим индексом[1, 2]. Относительное энергопотребление в России при производстве базовыххимических продуктов превышает зарубежное на 30-50% [2], в частности припроизводстве кальцинированной соды на 20%, при проведении каталитическогокрекинга – на 60%.