Энергосбережение в процессах ректификации бинарных и многокомпонентных смесей, страница 6

1.12.Укрепляющая секция колонны, служащая для разделения исходной смеси,представляет собой противоточный конденсатор 1; исчерпывающая секция –противоточный испаритель 2.В холодильном и тепловом циклах рабочим телом, обеспечивающимподдержание переменной температуры, могли бы быть жидкость или перегретыйпар.Такими потоками в установках разделения многокомпонентных смесейявляются продукты фракционирования, которые должны быть охлаждены илинагреты до определенной температуры. Применение внешних (по отношению кколонне) потоков в том или другом узле установки разделения способствуетувязке тепловых и материальных балансов в схеме. Следует, однако, отметить,что возможность создания схемы подвода и отвода тепла путем использования33внешних потоков ограничена.

Для основных колонн, в которых на разделениерасходуется наибольшее количество энергии, обычно не удается подобратьтеплоноситель (хладоагент) с требуемыми параметрами. Один из недостатковуказанных схем – трудность регулирования технологического процесса.Системы подвода и отвода тепла в схеме, изображенной на рис. 1.12, можноосуществить использованием в качестве рабочего тела такой смеси двух илинескольких компонентов, конденсация и испарение которой протекает вопределенном интервале температур. В этом случае рабочий цикл будет состоятьиз компрессии смеси, ее конденсации (под высоким давлением) в укрепляющейсекции колонны, дросселирования полученной жидкости и испарения ее (поднизким давлением) в исчерпывающей секции колонны.При применении газа в качестве рабочего тела цикл состоит из компрессии,охлаждения горячего сжатого газового потока в исчерпывающей секции,расширения его в детандере и нагрева в укрепляющей секции.

Несмотря назначительные в последнее время усовершенствования газового холодильногоцикла,онпродолжаетоставатьсямалоэффективным.Крометого,прииспользовании газа как рабочего тела имеют место низкие коэффициентытеплопередачи. Вследствие этого данный вариант схемы не представляетинтереса.Процесс неадиабатической ректификации может быть осуществлен также ввиде схемы с жидким хладоносителем (рис. 1.13). Исходная смесь F поступает вразделительную колонну 1, откуда отбирают дистиллят D и кубовый остаток W. Вверхнюю часть колонны подают предварительно охлажденный водный растворхлористого кальция или какую-либо другую жидкость G0, образующую с жидкойфазой разделяемой смеси взаимно нерастворимую систему.

Флегмовый потокполучают в результате конденсации паров при непосредственном контакте их сжидким хладоносителем. Для создания поверхности контакта в трехфазнойсистеме (хладоноситель –пар – углеводородная жидкость) могут бытьприменены ректификационные колонны с решетчатыми тарелками.34Жидкость,стекающуюизверхней (конденсационной) секции,собираютнаглухойтарелкеинаправляют в отстойник 2, в которомонаразделяетсянадваслоя.Углеводородный слой поступает висчерпывающуюсекцию,ахладоноситель – в регенерационнуюколонну 3, где он охлаждается дотребуемойтемпературы.исчерпывающейчерезстакансекцииглухойконденсационнуюПаризпроходиттарелкисекциюви применением жидкого хладоносителя1смешивается с паром питания.Охлаждение хладоносителя снебольшими термодинамическимиРис.1.13.

Схема ректификации с–разделительная(конденсационно-отпарная) колонна; 2 – отстойник;3 -регенерационная колонна.потерями может быть достигнуто путем регенерации холода дистиллята(вбедных природных газах) или какого-либо другого низкотемпературного газовогопотока, теплоемкость которого близка к теплоемкости хладоносителя.Схема с жидким хладоносителем представляет собой частный случай схемыразделения с противоточным конденсатором, когда хладоагент имеет постояннуютеплоемкость.Дляосуществлениярассмотренныхвпредыдущихразделахсхемступенчатой ректификации и схем фракционирования в разрезных колоннахтребуетсяаппаратураобычноготипа–ректификационныеколонныитеплообменники, что является существенным достоинством указанных схем, таккак облегчает их применение.

Однако в этих схемах, представляющих собойтолько первое приближение к термодинамически совершенной схеме, лишьчастично реализуются возможности уменьшения потерь от необратимости.Наилучшей в данном случае является схема с противоточной конденсацией в35укрепляющей секции и противоточным испарением в исчерпывающей секцииколонны.Известен ряд различных по конструкции аппаратов, предназначенных дляпроведения процессовнеадиабатического противоточного массообмена. Дляосуществления процессов абсорбции применяют ректификационную колонну, натарелках которой размещают поверхности теплообмена, например в видегоризонтального змеевика. Последний, собранный с определенными зазорамимежду витками, может работать как провальная тарелка. Опыты, проведенныеМ.Э.

Аэровым, Т.А. Быстровой, Е.П. Даровских и Л.Е. Сум-Шиком [30],показали, что при использовании воды в качестве теплоносителя коэффициенттеплопередачи змеевиковой тарелки составляет в среднем 1390 Вт*м-2*град-1;к.п.д. тарелок равен0,6–0,8. Недостатком конструкцииколонныстеплообменными тарелками являются малая поверхность теплопередачи вединице объема аппарата и сложность изготовления ввиду большого числасоединений.1.3.5. Конденсационно-испарительная схема разделенияПри разработке экономичной, практически осуществимой схемы разделениянеобходимо обеспечить:применение противоточной конденсации в укрепляющей секции колонны;применение противоточного испарения в исчерпывающей секции;изменение температуры хладоагента и теплоносителя в зависимости отколичества переданного тепла;простоту холодильного цикла и системы подвода тепла.Изменениепротивоточнойтемпературыконденсациейхладоагентаиитеплоносителяпротивоточнымиспарениемвсхемесдостигаетсясозданием такой системы, в которой тепло, отводимое при противоточнойконденсациипаровойсмеси,богатойлегколетучимкомпонентом,36непосредственнокомпонентомипередаетсяжидкости,подвергающейсяобогащеннойпротивоточномутруднолетучимиспарению.Подобнуюпередачу тепла можно осуществить в том случае, когда давление конденсациивыше давления испарения.

Выполнение этого условия при совмещениипротивоточной конденсации и противоточного испарения в одном аппаратеприводит к принципиальной схеме разделения, изображенной на рис. 1.14.Такая установка называется конденсационно-испарительной; она включаеткомпрессор 1 и конденсационно-испарительную колонну 2, представляющуюсобой кожухотрубный аппарат с развитой поверхностью фазового контакта как втрубах, так ив межтрубном пространстве. Исходный газ вместе сциркуляционным потоком, сжимаемым в компрессоре, поступает в трубчаткуколонны, где смесь подвергают противоточной конденсации под высокимдавлением.

В результате этого из верхней части трубок отбирают газообразныйконцентрированный легколетучий компонент (в случае многокомпонентнойсмеси – фракцию легколетучих компонентов), из нижней – жидкость,обогащенную труднолетучим компонентом, которая дросселируется до низкогодавления и подается в верхнее сечение межтрубного пространства колонны.В межтрубном пространстве осуществляется процесс противоточногоиспарения за счет тепла, выделяющегося при противоточной конденсации ипередаваемого через стенки трубок.Продуктами противоточного испарения являются концентрированныйтруднолетучий компонент, отбираемый из нижней части колонны, и выходящийсверху пар, состав которого близок к составу исходного газа.

Отгонный пар изколонны направляют в циркуляционный компрессор, сжимают там до давления,при котором ведется противоточная конденсация, и добавляют к исходному газу.37Еслипредположить,компрессоречтовосуществляетсяизотермическоесжатие,равенстветоприэнтальпийциркуляционного потока на входе вкомпрессоривыходеизнегоэнтальпия исходного газа должнабытьравнапродуктовсуммеразделениятеплопотерь).означает,энтальпийчто(безучетаПрактическиэтодляполученияпродуктов разделения в виде газа Рис. 1.14. Принципиальная схема разделенияисходная смесь также должнаконденсационно-испарительным способомнаходиться в газообразном состоянии.

Для получения одного или обоихпродуктов в жидком виде необходимо либо частично ожижить исходную смесь,либо подвести холод со стороны к тому узлу системы, где это будет удобно.Чтобыпоказатьэнергетическиепреимуществаконденсационно-испарительной схемы, достаточно сравнить ее с ректификационной схемой, вкоторой используется принцип теплового насоса с труднолетучим компонентом вкачестве рабочего тела. Предположим, что давление исходного газа и количествациркулирующего потока в обеих схемах равны.

Тогда давление сжатия ипроизводительностьодинаковыми.компрессораОднаковвсравниваемыхсхемахконденсационно-испарительнойтакжесхемебудутдавлениевсасывания выше, чем в ректификационной схеме, так как это давлениесоответствует температурам испарения: в первом случае – жидкости, содержащейлегколетучий компонент, а во втором – концентрированного труднолетучегокомпонента.Такимобразом,работакомпрессоравконденсационно-испарительной схеме будет меньше по сравнению с ректификационной схемой.По конденсационно-испарительной схеме при фиксированном давлении вмежтрубном пространстве и постоянной минимальной разности температур в38трубчатке давление всасывания для циркуляционного компрессора зависит отсостава исходной смеси. Для бинарной смеси с высоким содержаниемлегколетучего компонента в питании (но не выше, чем в остаточном газе)давление в межтрубном пространстве определяется температурой испарениятруднолетучего компонента в нижней части трубчатки. Это объясняется тем, чтов верхних сечениях межтрубного пространства температура стекающей жидкости,богатой легколетучим компонентом, будет ниже.