Энергосбережение в процессах ректификации бинарных и многокомпонентных смесей, страница 7

Следовательно, при высокомсодержании легколетучего компонента в питании, когда исходный газ имеетнаименьшую температуру точки росы, давление всасывания для циркуляционногокомпрессора минимально.По мере уменьшения количества легколетучего компонента в исходнойсмеси температура точки росы пара, поступающего в трубчатку, увеличивается,поэтомудавление,прикоторомпроисходитиспарениетруднолетучегокомпонента (при постоянной разности температур), возрастает. Температураиспарения жидкости в верхнем сечении трубчатки (сечение ввода жидкости,обогащенной легколетучим компонентом) при этом также увеличивается каквследствие повышения давления, так и в результате уменьшения концентрациилегколетучего компонента в питании.1.4.Многоцелевые колонны и процесс интеграцииМногоцелевой процесс предполагает работу различных секций при разныхдавлениях, чтобы обеспечить внутренний теплообмен между секциями.

Такойметод хорошо подходит при реконструкции существующих заводов, гдевозможно уменьшение затрат теплоты без полной замены колонн. Отметим, чтоеще одним важным вопросом как в реконструкциях схемы, так и в разработкеновых заводов является улучшение тепловых уровней в ректификационныхустановках к имеющимся тепловым уровням.

Это может дать существеннуювыгоду, если обеспечить хорошую рекуперацию теплоты, или, если тепло39получается за счет экзотермических реакций, как например, на заводе попроизводству метанола.Предварительныйнагревисходнойсмесиобычнобудетменееэффективным, чем подача теплоты в кипятильник.

Но он может быть полезным внекоторых случаях. Например в случае, когда предварительный нагрев можетбыть сделан путем использования низкопотенциального тепла, сохранив болеевысокотемпературный теплоноситель для кипятильника.Рис. 1.15. Колонны двойного действия с теплоинтегрированными кипятильниками иконденсаторами.В колоннах двойного действия, как показано на рис. 1.15, давлениерегулируется на двух уровнях (pH-высокое, pL-низкое), чтобы обеспечитьрекуперативныйтеплообменвнутрисхемымеждукипятильникамииконденсаторами. Возможность такого подхода зависит от диапазона температур,при котором обеспечивается минимальная потребность в тепловой энергии.Именно на это следует обращать внимание при сравнении эффективности схем.401.5.ОсобойразделенияВнутренне тепло-интегрированные колонны HIDiCразновидностьюжидкихсмесейконденсационно-испарительногоявляетсясистемасвнутреннеспособатепло-интегрированными колоннами HIDiC, где компрессор сжимает пар из отпарнойчасти колонны для подачи его в укрепляющую часть с повышенным давлением.Таким образом, тепло может быть передано внутренне из укрепляющей секции вотпарную секцию, как показано на рисунке 1.16.

Из-за нагревания и охлажденияпаровой поток будет максимальным вблизи тарелки питания и снижаться кконцам. Это приводит к непрерывному изменению поперечного сечения повысоте.Рис. 1.16. Система с внутренне тепло-интегрированными колоннами HIDiC.Система с внутренне тепло-интегрированными колоннами существенноснижает необратимые потери смешения внутри секций и, таким образом, снижаетпотребность во внешнем теплоснабжении. При этом нужно затратить работусжатия и при оценке этого способа энергосбережения учитывать сумму затратэнергии в компрессоре и эксплуатационных (тепловых) затрат. Метод HIDiCпользуется повышенным вниманием в Японии [23, 24].411.6.Многоколонная ректификационная установка при разделениибинарных смесейПоскольку в процессе ректификации энергетические затраты существеннопреобладают над капитальными, то экономия энергетических затрат обычноприводит к положительному экономическому эффекту в целом.Рис.

1.17. Принципиальная схема двухколонной ректификационной установки:1, 12, 14 – емкости; 2 – насос; - 3 – подогреватель; 4, 7 – кипятильники; 5, 8 –ректификационные колонны; 6 – дроссель; 9, 11, 13 – конденсаторы; 10 – сепаратор.Вобычнойодноколоннойректификационнойустановкеосновныеэнергетические затраты связаны с расходом греющего пара в кипятильнике (кубеколонны) и в подогревателе исходной смеси.

Возможны различные способыэкономии греющего пара. Наиболее простым из них является рекуперациятеплоты кубового остатка для подогрева исходной смеси. В тех случаях, когданевозможна простая рекуперация, для использования низкопотенциальноготеплоносителя, например паров, выходящих из колонны в верхней части,применяют тепловой насос [9, 10].42Выпаривание, также как и ректификация, тоже является энергоемкимпроцессом. При этом в выпаривании наряду с традиционными способамиэкономии энергетических затрат применяется рекуперация теплоты упаренногораствора для подогрева исходного раствора, использование теплового насоса,широко применяются многокорпусные выпарные установки, где для обогревапоследующих корпусов используется пар, получаемый в предыдущих корпусах[1, 29].По аналогии с многокорпусной выпарной установкой предложены [6, 7]различные варианты многоколонной (двухколонной) ректификации при обогревепоследующей колонны парами, выводимыми сверху предыдущей, и за счетработы колонн под разными давлениями.Для оценки экономической эффективности применения двухколоннойректификации по сравнению с одноколонной, в работе [7] был рассмотрен один извозможных вариантов разделения бинарной зеотропной смеси: кубовый остатокиз первой колонны подается во вторую, в которой происходит окончательноеразделение смеси на продукты требуемого качества.

Принципиальная схема такойдвухколонной ректификационной установки представлена на рис. 1.17.Первая колонна 5 работает под большим давлением, поэтому пары,выводимые сверху первой колонны, пригодны для обогрева кипятильника 7второй колонны 8. Иначе, кипятильник второй колонны служит конденсаторомпаров, выводимых из первой. Кубовый остаток из первой колонны через дроссель6 (для поддержания требуемой разности давлений между колоннами) подается напитание второй. При этом после дросселя часть жидкости испаряется, и поэтомуво вторую колонну поступает парожидкостная смесь.Для получения такого же количества дистиллята, что и в одноколоннойустановке, работающей при тех же условиях (при том же количестве и составеисходной смеси, при тех же концентрациях дистиллята и кубового остатка),смешивают потоки дистиллята из первой и второй колонн в емкости 12.

Причем,так как после дросселирования потока дистиллята из первой колонны образуется43парожидкостная смесь, то пар отделяется в сепараторе 10 и конденсируется вконденсаторе 11.Очевидно, что в двухколонной установке греющий пар затрачиваетсятолько в первой колонне, где происходит неполное разделение смеси, аполностью до требуемых составов верхнего и нижнего продуктов смесьразделяется уже во второй колонне, обогреваемой парами дистиллята из первой.Поэтому затраты греющего пара в кипятильнике первой колонны в двухколоннойустановке будут ниже, чем в одноколонной, работающей при тех же исходныхданных.Следует учесть, что за счет большего давления в колонне 5 увеличиваетсятемпература кипения исходной смеси, а следовательно, увеличивается и расходпара в подогревателе 3.

Естественно, что в случае двухколонной установкисущественно возрастают и капитальные затраты.Для оценки экономической эффективности и определения условийцелесообразного использования многоколонной ректификации, в работе [7] былпроведен расчет, в котором в качестве модели была взята двухколоннаяректификационная установка для разделения бинарной зеотропной смеси бензолтолуол. При этом были приняты следующие допущения:- смесь бензол-толуол близка по своим свойствам к идеальной иподчиняется закону Рауля;- мольные потоки паровой и жидкой фаз постоянны по высоте в каждой изколонн (так как величины теплот парообразования для бензола и толуола имеютблизкие значения).Кроме того, концентрации дистиллятов первой и второй колонн принятыодинаковыми.Во второй колонне принято атмосферное давление.

Давление в первойколонне варьировали [7] в определенных границах, которые определяютсятемпературой конденсации паров, уходящих из первой колонны. Минимальноедавление определяется минимальным температурным напором, необходимым дляобеспеченияустойчивойработырекуперативноготеплообменника.44Максимальное давление определяется либо условиями нормальной работырекуперативного теплообменника, так как при очень высоких температурахконденсации пара в рекуперативном теплообменнике может наступить кризискипения, либо необходимостью применения специальных теплоносителей (болеедорогих, чем греющий пар) в кубе первой колонны при высоких температурахкипения, обусловленных высоким давлением.

Учитывая эти соображения, врасчетах [7] приняли минимальное давление в первой колонне p`=3 ат,максимальное p``=5 ат.С увеличением давления p` расход теплоты в кипятильнике уменьшается, ноодновременно с этим растет расход теплоты в подогревателе исходной смеси ирасход электроэнергии в центробежных насосах 2 и 2`. Таким образом, должносуществовать оптимальное давление в первой колонне, при котором экономиясуммарных энергетических затрат в двухколонной установке по сравнению содноколонноймаксимальна.Приэтомдвухколоннуюректификационнуюустановку сравнивали с одноколонной, работающей при тех же исходных данныхи под атмосферным давлением, как наиболее простым вариантом проведенияданного процесса.Поископтимальногорежимаработыдвухколоннойустановкиосуществлялся на основании энергетических затрат.

При этом считали, чтосуммарные энергетические затраты складываются из расходов греющего пара вкипятильнике и подогревателе и из затрат электроэнергии в центробежныхнасосах.В работе [7] приведены расчеты суммарных энергетических и приведенныхзатрат, в результате которых выявлено, что оптимальным давлением в первойколонне является минимальное давление, обеспечивающее эффективную работурекуперативного теплообменника, так как экономия теплоты в кипятильникепервой колонны с ростом p` растет медленнее, чем необходимый расход теплотыв подогревателе исходной смеси. Причем экономия энергетических затрат прииспользовании двухколонной ректификации приближается к 20%, а относительно45приведенных затрат переход от одноколонной к двухколонной ректификационнойустановке дает экономию около 10%.Очевидно, что применение трехколонной ректификации при определенныхусловиях может дать больший экономический эффект.Практически максимальное число колонн при ректификации бинарныхсмесей (как и при выпаривании растворов) вряд ли будет превышать 3 – 4 из-зауменьшения движущей силы процесса теплопередачи и увеличения размероврекуперативных теплообменников.1.7.О минимальных затратах энергии в ректификационных колоннахПетлюкаДля количественной оценки энергопотребления в работе [27] используютпонятие минимальной энергии или минимального расхода пара (Vmin), гдедопускаютсясекции с бесконечным числом тарелок.

Таким образом, этивеличины независимы от заданных условий проектирования установки. Напрактике реальное число тарелок выбирается на основе требуемой чистотыразделения и минимума суммы капитальных затрат (стоимости оборудования) иэксплуатационных затрат (стоимости энергии).При этом реальные затратыэнергии будет несколько выше минимальной. Тем не менее, Vmin является простойи удобной мерой, используемой для сравнения энергопотребления в различныхсхемах ректификации.Диаграмма минимальной энергии Vmin может быть использована [27] дляоценкиразделениямногокомпонентныхсмесей.Сначаларассмотренаединственная двухпродуктовая колонна с многокомпонентным питанием (F).Минимальное энергопотребление для заданного качества продукта косвенноопределяется минимальным потоком пара через тарелку питания в колонне сбесконечным числом тарелок.46Рис. 1.18.