Энергосбережение в процессах ректификации бинарных и многокомпонентных смесей, страница 14

Сравнивалисуммарные затраты теплоты в кипятильникахQ   Q К1  Q К 2для обоих заданных разделений.абРис. 4.8. Схемы разделения тройной смесиа – первое заданное разделение, б – второе заданное разделениеИндексы при потоках и концентрациях: 1 – исходная смесь, 2 – бензол, 3 – толуол, 4 – о.ксилол.111Результаты расчета затрат теплоты представлены в таблице 4.10.

Там жеприведены результаты расчета значений внутреннего энергосбережения вотдельных колоннах по формуле (3.5) и среднего значения внутреннегоэнергосбережения для ректификационных установок из двух колонн по формуле(3.10).Из таблицы 4.10 видно, что меньшие затраты теплоты по первомузаданному разделению (154,8 кВт по сравнению с 197,0 кВт по второмузаданномуразделению)обязаныбольшемусреднемувнутреннемуэнергосбережению в этом случае: 0,819 > 0,744. Отметим примерно одинаковыезатраты теплоты и внутренние энергосбережения во вторых колоннах. Напротив,затраты теплоты в первой колонне по первому заданному разделениюзначительно меньше (80 кВт против 129,1 кВт), чем по второму разделению.Объясняется это существенно большим энергосбережением (Эн=0,836) при работепо схеме а, чем по схеме б (здесь Эн1=0,722).

При равном числе тарелок вукрепляющей и отгонной частях колонны внутреннее энергосбережение зависитот флегмового числа (в схеме а величина R1=1,64, а в схеме б она значительноменьше – R1=0,56).Аналогичное снижение затрат теплоты при ректификации тройных смесейпо схеме а с получением продуктов одинаковой чистоты было отмечено в работахкафедры ПАХТ МИТХТ им. М.В. Ломоносова ранее [52]. И объяснить это можноувеличенным внутренним энергосбережением, которое, в свою очередь, зависитот флегмового числа при работе колонн.112Таблица 4.10. Результаты расчета затрат теплоты и внутреннего энергосбережения в колоннах при ректификациисмеси бензол-толуол-о.ксилол: а – первое заданное разделение; б – второе заданное разделение.аЧистота продуктовых1 колонна2 колоннаЧисло тарелокЧисло тарелокпотоковxб.2xт.3xк.4Флегм.число R1Укрепл.Отгон.частьчасть n0Эн1Qк1,Флегм.кВтчисло R20,9780,9801,64.13170,836801,35Отгон.частьчастьЭн2Qк2,кВтзначениеЭнQΣ,кВтn0nyny0,981УкреплСреднее14160,80174,80,819154,8бЧистота продуктовых1 колонна2 колоннаЧисло тарелокЧисло тарелокпотоковxб.2xт.3xк.4Флегм.число R1Укрепл.Отгон.частьчасть n0Эн1Qк1,Флегм.кВтчисло R20,9810,9800,5613.частьnyny0,980Укрепл170,722129,11,3515Отгон.частьСреднееЭн2Qк2,кВтзначениеЭнQΣ,кВтn0150,78767,90,744197,0113ЗаключениеОсновные результаты выполненного исследования следующие.Предложена количественная оценка качества разделения бинарных жидкихсмесей, величина которой зависит только от составов исходной смеси ипродуктов разделения.Дляидеальныхбинарныхсмесейполученаформуладляоценкиминимальных удельных затрат теплоты в кипятильнике ректификационнойколонны в зависимости от разделяемости и состава исходной смеси.Найдены граничные значения коэффициента избытка флегмы σгр, большекоторых предварительная конденсация парожидкостной смеси приводит куменьшению затрат теплоты в кипятильнике.Теоретический анализ на основе законов фазового равновесия и сохранениятеплоты показал, что при ректификации бинарных смесей с малыми значениямикоэффициента избытка флегмы затраты теплоты в кипятильнике колонныуменьшаются при увеличении энергетического уровня исходной смеси.

Однако,если учитывать дополнительные затраты теплоты на повышение энергетическогоуровня смеси в отдельном теплообменнике, то суммарные затраты теплоты напроцесс разделения, наоборот, увеличиваются.С целью выяснения кажущегося противоречия (казалось бы, что суммарныезатраты теплоты на подогрев исходной смеси и ректификацию с получениемпродуктов разделения одинаковой чистоты и энергетического уровня должныбыть одинаковы) был выполнен теоретический анализ процесса теплообмена исопутствующего ему массообмена на тарелках ректификационных колонн.Установленазависимостьвнутреннегоэнергосбережениявколонне(многократная «работа» (конденсация) пара при контакте с встречным потокомфлегмы на каждой тарелке) от флегмового числа, а точнее, от соотношенияпотоков флегмы и пара в укрепляющей колонне.При подаче в колонну исходной смеси в виде кипящей жидкости полныйжидкостной поток в отгоннойчасти колонны всегда больше, чем встречныйпаровой поток.

Поэтому весь пар на тарелках отгонной колонны может114«работать» полностью.В этом случаевнутреннее энергосбережениемаксимально и принято за 1.В случае подачи исходной смеси в виде пара ( или парожидкостной смеси)паровой поток в отгонной колонне ( пар из кипятильника) уменьшается имногократно«работает»меньшийпаровойпоток,хотяисо100%эффективностью. Внутреннее энергосбережение при этом уменьшается, а поэтомусуммарные затраты теплоты на разделение увеличиваются.Предложеныэнергосбереженияформулывдляколичественнойректификационнойколонне.оценкиРасчетомвнутреннегоспомощьюпрограммного пакета Aspen plus подтверждено, что затраты теплоты наразделение бинарных и тройных смесей методом ректификации уменьшаютсяпри увеличении внутреннего энергосбережения.Анализ затрат теплоты в кипятильнике и внутреннего энергосбереженияпри ректификации показал возможные способы экономии суммарных затрат, аименно:- подача в колонну исходной смеси без предварительного подогрева в отдельномтеплообменнике;- нагревание исходной смеси паровым потоком из укрепляющей колонны; приэтом лучший вариант – паром, выходящим сверху колонны [51];- при ректификации с большим избытком флегмы (σ > σгр) паровая исходнаясмесь разделяемых компонентов должна быть предварительно сконденсирована.Выделяющаяся при конденсации теплота, естественно, может быть использованадля других целей.Анализ внутреннего энергосбережения системы из двух и более колоннпозволяет правильно выбрать оптимальный (с энергетической точки зрения)вариант разделения жидких смесей.115Список основных сокращений и условных обозначенийc- теплоемкость, кДж/(кмоль*К);E – доля жидкости в исходной парожидкостной смеси;EP – критерий разделения;L1 – поток исходной смеси;L0–нижний продукт;n – количество тарелок в колонне;α – относительная летучесть компонентов смесиР – разделяемость смеси ;Q – затраты теплоты;R – флегмовое число;Rmin – минимальное флегмовое число;r – теплота парообразования, кДж/кмоль;t – температура потока;x – концентрация НКК в бинарной смеси;ψ – доля пара в исходной смеси;σ – коэффициент избытка флегмы;σгр – граничное значение коэффициента избытка флегмы;Эн – внутреннее энергосбережение;ВНН - высококипящий компонент;НКК – низкокипящий компонент.ИндексыВерхниех –холодная смесь;к – кипящая смесь;пж –парожидкостная смесь;п –пар;116пп –перегретый пар;0 – отгонная часть колонны;у – укрепляющая часть колонны.Нижние1 – исходная смесь;2 – верхний продукт;0 – нижний продукт;у – укрепляющая часть колонны;0 – отгонная часть колонны;Σ – суммарное количество;под – подогреватель;к – кипятильник;конд – конденсатор.117СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ1.

Общий курс процессов и аппаратов химической технологии: Учебник: В 2кн./В.Г. Айнштейн, М.К. Захаров, Г.А. Носов, В.В. Захаренко, Т.В. Зиновкина,А.Л. Таран, А.Е. Костанян; Под. ред. В.Г. Айнштейна. М.: Университетская книга,Логос, Физматкнига, 2006, 1760 с.2. Саркисов П.Д., Дмитриев Е.А. Проблемы энерго- и ресурсосбережения вхимической технологии и устойчивое развитие // Тезисы докладов 2-йМеждународной конференции «Образование и устойчивое развитие». – М.: РХТУим. Д.И. Менделеева, 2004.3. ЗахаровМ.К.Способыэнергосбереженияприпроведенииэнергоемкихтехнологических процессов/ М.К. Захаров // Технологии нефти и газа, 2006, №1.С. 63-72.4. Комиссаров Ю.А., Гордеев Л.С., Вент Д.П.

Научные основы процессовректификации: В 2 т. Т. 2. Учебное пособие для вузов / Под ред. Л.А. Серафимова.–М.: Химия, 2004. – 416 с.5. Giorgio Soave, Josep A. Feliu. Saving energy in distillation towers by feed splitting //Applied Thermal Engineering. 22 (2002), 889-896.6. Айнштейн В.Г., Захаров М.К. Многокомпонентная ректификация (принцип ипроцессуальные схемы) // Хим. пром. 2001, №6. С. 39-47.7. М.К.

Захаров, Е.Д. Моисеева. Многоколонная ректификация как способэнергосбережения при разделения зеотропных бинарных смесей // Хим. пром.2003, №9. С. 35-42.8. Захаров М.К. Энергосберегающие схемы процессов ректификации // Наука итехнология углеводородов, 2002, №6. С. 3-8.9. Гельперин Н.И. Тепловой насос. Л.: Госнаучтехиздат, 1931.10. Янтовский Е.Н., Левин Л.А. Промышленные тепловые насосы.

М.: Энергоиздат,1989, 128 с.11811. Серафимов Л.А., Фролкова А.К. Фундаментальный принцип перераспределенияполей концентраций между областями разделения как основа созданиятехнологических комплексов // ТОХТ. 1997. Т. 31. №2. С. 193-201.12. Тимошенко А.В., Анохина Е.А., Рудаков Д.Г., Тимофеев В.С., Тациевская Г.И.,Матюшенкова Ю.В. Энергосбережение в ректификации с использованиемкомплексов со связанными потоками // Вестник МИТХТ. 2011, Т.6. №4. С 28-39.13. Lei Z.G., Zhou R.Q., Duan Z.T.