Энергосбережение в процессах ректификации бинарных и многокомпонентных смесей, страница 12

За счётвыделившейся при этом теплоты количество испаряемой жидкости на (n+1)-ойтарелке составляетL1 21 4и на n-ой тарелке -L57.5890Рис. 3.1. Температуры и составы фаз на тарелках91При одинаковых теплотах парообразования компонентов разделяемой смеси:D3 41 4L1 21 4;D6858L(3.1)5758Из равенства (3.1) следует(3.2)L 3 4 6 8D 1 2 5  7Поскольку в укрепляющей колонне при конечных флегмовых числах Rпоток флегмы L всегда меньше парового потока D, то отрезокменьшеотрезка1 2,а6  8 <57 .Этоозначает,34всегдачтодоляконденсирующегося на тарелке пара меньше, нежели доля испаряемойжидкости.Такимобразом,вукрепляющейколоннетеплотапараиспользуется многократно (на каждой тарелке), но лишь частично, так какдаже при испарении всего потока флегмы конденсируется лишь часть пара.Так как L=ПR, а D=П(R+1), тоLR, и соотношение (3.2)D R 1запишется:(3.3)R34 68R 1 1 2 5  7Чем меньше флегмовое число R, тем меньше соотношение отрезков34и1 2(точка 3 приближается к точке 4).

При R = 0 поток флегмы L = 0, азначит, и пар не конденсируется (отрезок34в этом случае равен нулю). Этонаименее выгодный (с точки зрения многократного использования пара)процесс перегонки.Наоборот, при увеличении флегмового числа R длина отрезкаприближается к длине отрезкаотрезков34и1 21 2 .34В предельном случае (R = ∞) длины(и аналогичных им68и 57)становятся одинаковыми(рис.3. 1). Это значит, что при конденсации на очередной тарелке всегопарового потока за счёт выделившейся теплоты испаряется равный ему потокжидкости. Очевидно, это самый выгодный (с точки зрения многократногоиспользования пара) способ ведения процесса ректификации.92Здесь следует отметить, что затраты теплоты при ректификации сполным орошением (R = ∞) на единицу разделяемой исходной смеси,естественно, равны бесконечности.

Поэтому специально увеличиватьфлегмовое число по всей колонне с целью приближения к максимальномуэнергосбережению не рекомендуется. Тем не менее, если за счет отборатеплоты (с последующим ее использованием) от циркулирующего потокажидкости (циркуляционное орошение) происходит увеличение жидкостногопотока в укрепляющей колонне, то это приводит в соответствии сустановленнымивданнойработезакономерностямикувеличениюэнергосберегающего эффекта и в самой колонне. Такой эвристическинайденный способ энергосбережения достаточно широко применяется приразделении нефти методом ректификации [4, 35].В отгонной колонне поток жидкости L'=L+L1 больше парового потокаD.

На каждой тарелке конденсируется пар, испаряя лишь часть жидкости натарелке. С точки зрения энергосбережения важно, что при D < L' весь парможетконденсироваться,производяновыйпотокпара.Поэтомуэнергосбережение в отгонной колонне можно считать максимальным, онопринимается равным 1 (или 100%).3.2. Внутреннее энергосбережение в колоннеВ соответствии с установленными в разделе 3.1 зависимостями можноколичественно оценить внутреннее энергосбережение в колонне.При подаче в колонну исходной смеси при температуре кипениявнутреннее энергосбережение (среднее по колонне) можно рассчитать поформулеRny  n0R1Эн ny  n0или(3.4)93Эн nyn0RR 1 n y  n0 ny  n0(3.5)При подаче в колонну на разделение парожидкостной смеси (ψ – доляпара) требуется меньший паровой поток в отгонной части колонны.Относительное уменьшение парового потока в нижней (отгонной) колоннеDH/D при подаче исходной бинарной смеси в парожидкостном состояниизависит от доли пара ψ в подаваемой в колонну жидкости:(x 2  x 0 )D H D  L 1L 1 1 1DD(R  1)П( R  1)( x 1  x 0 )(3.6)Последнее из выражений (3.6) применимо только для бинарных смесей.Отсюдаможетбытьнайденоусловиеравнойэффективностииспользования пара в укрепляющей и отгонной колоннах(x 2  x 0 )R 1R 1(R  1)( x 1  x 0 )(3.7)Преобразование (3.7) приводит к паросодержанию в исходной смеси,при котором на каждой тарелке всей колонны конденсируется один и тот жепаровой поток:Заметим,чтопритакомx1  x 0x2  x0паросодержанииисходнойсмесиэнергетическая эффективность процесса не является максимальной, так как вотгонной колонне «работает» не весь паровой поток, необходимый дляректификации.Внутреннее энергосбережение Эн ректификационной колонны приподаче исходной смеси с долей пара ψ зависит от числа теоретическихступеней в укрепляющей (ny) и отгонной (n0) частях колонны и может бытьрассчитано по формуле [49]Эн nyL 1  n 0R 1 R  1 n y  n 0  (R  1)П  n y  n 0(3.8)94Формула (3.8) справедлива и для многокомпонентных смесей.

Заметим,что в случае подачи в колонну «холодной» исходной смеси (tx<t1) величина ψ< 0.Для бинарных смесей второе слагаемое в правой части формулы (3.8) сучетом материального баланса может быть записано в виде:Эн ny x2  x0  n0R 1 R  1 n y  n 0  (R  1) x 1  x 0  n y  n 0(3.9)С помощью формул (3.5), (3.8) и (3.9) может быть оценено внутреннееэнергосбережение Эн (эффективность использования парового потока вректификационной колонне) при заданной степени разделения смеси (x1, x2 иx0) и состояния исходной смеси на входе в колонну.

Естественнопредположить, что при увеличении внутреннего энергосбережения Энзатраты тепловой энергии на процесс разделения уменьшаются.Теоретический анализ затрат теплоты на разделение бинарной смеси взависимости от состояния исходной смеси подтвердил эти выводы (глава 2).И еще более убедительные доказательства приведены в главе 4.3.3. Внутреннее энергосбережение в системе колоннДля ректификационных установок, включающих в себя 2 колонны(рис.3.2) для разделения трехкомпонентной смеси ABC с получениемтребуемой чистоты продуктов A, B и C внутреннее энергосбережение(коэффициент использования паровых потоков в обеих колоннах) можетбыть рассчитан с учетом долей паровых потоков в каждой колонне.Для схемы «а» на рис.3.2 паровой поток в колонне 1 может бытьнайден [1] путем деления необходимой для ректификации тепловой энергииQк на скрытую теплоту парообразования rBC кубовой жидкости BC: D1 Соответственно, для колонны 2 величина парового потока D 2 Qк.rCQк.rBC95Энергосбережение установки по схеме «а» на рис.3.2 можно рассчитатьс учетом энергосбережения в колоннах Эн1 (в колонне 1) и Эн2 (в колонне 2)по формуле:Э н 2 x  Э н1D1D2 Э н2D1  D 2D1  D 2(3.10)абРис.3.2.

К расчету энергосбережения в двух колоннахДля схемы «б» величины паровых потоков в колоннах - D1 D2 Q киrCQ к, а выражение (3.10) остается неизменным. Естественно, что значениеrB96величин Эн1 и Эн2 отличаются в вариантах «а» и «б» и рассчитываются поформуле (3.5) или (3.8), если в исходной смеси присутствует пар с долей ψ.Аналогичным образом можно найти внутреннее энергосбережение всистеме,состоящейиз3-хиболееколонн.97ГЛАВА 4РАСЧЕТНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТВсе расчеты затрат теплоты при ректификации различных бинарных итройных смесей выполнены с помощью программного обеспечения Aspenplus.

Энергетический уровень исходной смеси при подаче в колоннуварьировали от «холодной» смеси при температуре 200С до кипящей(температура насыщения) и паровой смеси с долей пара ψ от 0 до 1. Расчетывыполнены для бинарных смесей: бензол-толуол, ацетон-бензол, а такжетройной смеси бензол-толуол-о.ксилол при различных составах исходнойсмеси и разной чистоте получаемых продуктов (от 85 до 99%).Коэффициенты избытка флегмы σ в расчетах варьировали в пределах от 1,1до 3,0.4.1. Энергосбережение и затраты теплоты при ректификации бинарныхсмесейОтдельнобудутэнергосбереженияврассмотреныколоннахпризатратытеплотыподачеисходнойивнутренниесмесивблизитемпературы кипения и при разных долях пара в исходной смеси, а также вслучае «холодного» питания колонны.4.1.1.

Подача в колонну исходной смеси при температуре кипенияВ главе 2 показано, что минимальные удельные затраты теплоты наразделение методом перегонки зависят от критерия разделения Ep,характеризующего качество разделения, способности жидкой бинарнойсмеси разделяться методом перегонки (разделяемость смеси P) и от составаисходной смеси x1. Непонятная, на первый взгляд, зависимость [34, 36, 39]удельных затрат теплоты от x1 (с увеличением концентрации НКК в98исходной смеси затраты увеличиваются) становится очевидной при оценкевнутреннего энергосбережения в ректификационной колонне.Нами проведен расчет затрат теплоты при ректификации L1=2кг/ссмеси бензол-толуол с получением 98% бензола в дистилляте и 98% толуолав кубовом остатке при коэффициенте избытка флегмы σ=1,1. Дляобеспечения одинакового критерия разделения Ер составы исходной смесивыбирались так, чтобы величина Ер, рассчитываемая по формуле (2.6) былаодной и той же.

Так, при х1=0,2 и х1=0,8 значение Ер=0,9141; при x1=0,3 их1=0,7 величина Ер=0,9444 и т.д.Таблица 4.1. Затраты теплоты при ректификации и внутреннееэнергосбережение ЭнСмесь: Бензол – толуол, σ=1,1Величинаx1=0,2x1=0,8x1=0,30,9141Критерий Еx1=0,7x1=0,40,9444x1=0,60,9566x2 ,кмоль  НККкмоль  смеси0,980,98310,97940,97970,98040,9797x0 ,кмоль  НККкмоль  смеси0,01990,02070,02030,02120,01960,0203Флегмовое число R4,20,752,611,81,12Число тарелок n222121212424Тарелка питания1211111312130,00420,020,00660,01730,00920,01440,02180,0350,02320,03460,02560,03050,01760,0150,01730,01730,01650,0160,8070,4280,7460,50,64330,5290,8950,70,8540,690,8210,74467510817391064811946Верхний продукт,кмоль/cПоток пара, кмоль/cD = П(R+1)Поток флегмы, кмоль/cL = ПRОтношение L/D R Эн  n y  n 0 R 1Затраты теплоты, кВт99Результаты расчета представлены в таблице 4.1.

В нижней строкеприведены затраты теплоты на разделение в кВт. Там же приведены значенияфлегмовых чисел и вычисленные по формуле (3.5) значения внутреннегоэнергосбережения Эн в колонне. Видно, что при одинаковых критерияхразделения Ep затраты теплоты на разделение меньше при большемвнутреннем энергосбережении Эн. Например, при Ep=0,9141 в случаеx 1  0,2кмоль  бензолакмоль  смесипри флегмовом числе R=4,2 и значении Эн=0,895 затратытеплоты составляют 675 кВт, а при R=0,75 и Эн=0,700 затраты теплоты –1081 кВт.Таблица 4.2. Затраты теплоты при ректификации и внутреннееэнергосбережение ЭнСмесь: Бензол – толуол, σ=1,3Величинаx1=0,2x1=0,8x1=0,30,9411Критерии Еpx1=0,7x1=0,40,9444x1=0,60,9566x2 ,кмоль  НККкмоль  смеси0,98080,98310,98020,97520,98070,9821x0 ,кмоль  НККкмоль  смеси0,01980,02080,01990,02000,01930,02075,21,053,71,2172,51,5Число тарелок n171616161717Тарелка питания9999990,00420,02000,0066440,017320,009150,01440,02600,04100,03120,03840,0320,0360,02180,02100,02450,02110,02290,02160,83870,5120,7880,5490,7150,6000,9150,7260,8800,7460,8490,788805126696511889901112Флегмовоечисло RВерхний продукт,кмоль/cПоток пара, кмоль/cD = П(R+1)Поток флегмы,кмоль/cL = ПRОтношение L/D R Эн  n y  n 0 R 1Затраты теплоты,кВт100Результаты расчета затрат теплоты для той же смеси бензол-толуол сполучением продуктов разделения того же качества, но при работе скоэффициентом избытка флегмы σ=1,3 представлены в таблице 4.2.При увеличении σ (R тоже) затраты теплоты на разделение,естественно, растут, но (важно!) при большем внутреннем энергосбережениив колонне они всегда меньше (при одинаковых критериях разделения).4.1.2.