Энергосбережение в процессах ректификации бинарных и многокомпонентных смесей, страница 8

Расширенные схемы Петлюка для четырех продуктов.Соответствующий тепловой поток для образования этого потока пара можетбыть получен умножением на теплоту парообразования. Рассмотрен случай спостоянным давлением. Тогда при работе в стационарном режиме есть двестепени свободы. Выбран расход пара на единицу питания (V/F) и поток продуктасверху на единицу питания (D/F).

Для каждой данной пары (D/F, V/F) все другиехарактеристики процесса полностью определяются, в том числе все потоки исоставы продуктов. Энтальпия питания определяется долей жидкой фракции (q).Vmin-диаграмма на рис.1.19 показывает, как компоненты смеси для питаниятройной смесью (ABC) распределяются на верхние и нижние продукты в простойдвухпродуктовой«бесконечнойвысоты»ректификационнойколонневзависимости от рабочей точки (D/F, V/F). Для значений V/F выше верхнейломаной линии (подобной «горе») границы в диаграмме ([0,0-PAB-PAC-PBC-[1,1-q]),колонна использует слишком много пара, то есть мы тратим впустую энергию.Значения на пиках дают поток пара Vmin для соответствующих вариантовразделения с получением одного компонента требуемой чистоты.

Если поток пара47V падает ниже линии для данного D, то еще один компонент станетраспределенным, поскольку пересечена граница линий.Рис.1.19. Vmin-диаграмма для трехкомпонентного питания.Узлы (внизу долин) являются Vmin для так называемых «предпочтительныхразделений»,гдевыполняетсяразделениемеждудвумяключевымикомпонентами с распределенным промежуточным компонентом.

Чтобы найтидиаграмму для многокомпонентного питания, нужно только определить четкоеразделение между каждой парой ключевых компонентов. То есть, для nкомпонентов (n>1), можно найти полную диаграмму, вычисляя 1+2+3…+n-1=n(n1)/2 точки. Для трехкомпонентного примера нужно только три точки: PAB: четкоеA/B, PBC: четкое B/C и PAC: четкое A/C. PAC является «предпочтительнымразделением» [27], которое является рабочей точкой с минимальной энергией длячеткого разделения между A и C, в то время как промежуточный компонент Bраспределен по обоим концам колонны.

В любой рабочей точке на уровне иливыше V- образного PAB-PAC-PBC мы также получаем четкое разделение A/C, но сболее высокой энергией, чем конкретно в PAC.Диаграмма для реальных смесей может быть просто получена с помощьюмоделирования многокомпонентного питания в двухпродуктовой колонне с48большим числом стадий. Моделирование проводится для различных значенийпродуктовых разделений (D/F), также вычисляются соответствующие значенияVmin/F, чтобы получить указанной высокой степени очистки (или желаемойчистоты) продукт.

Термин Vmin означает, что минимальный V соответствуетбесконечному количеству стадий, но на практике можно получить значениеблизкое к Vmin с конечным числом стадий. Также отметим, что в ректификациизначение Vmin слабо зависит от чистоты при четком разделении. Таким образом,на практике могут быть учтены [27] небольшие примеси тяжелокипящегокомпонента вверху и легкокипящего компонента – внизу для каждой парыкомпонентов. Заметим,что в случае бинарной смеси будет только один пик.Для идеальных смесей с постоянной относительной летучестью ипостоянныммолярнымрасходомможноосуществления моделирований, отнимающихполучитьVmin-диаграммубезмного времени. Здесь, длябесконечного числа стадий можно использовать классические уравненияУндервуда, а Vmin-диаграмма может быть вычислена непосредственно из свойствпитания.В недавних публикациях [31, 32] предложен эффективный метод расчётаоптимальных вариантов колонн с разделяющей перегородкой (DWC), в том числес использованием хорошо известного метода Фенске-Ундервуда-Джиллиленда[33].ЗаключениеПроведенный обзор научной литературы по вопросам энергозатрат испособамэнергосбереженияпоказал,чтореальныережимыработыректификационных установок характеризуются низкой термодинамическойэффективностью - на уровне 10 - 20%.

Предлагаемые решения по снижениюзатрат энергии при ректификации направлены, в основном, на приближениеусловий проведения реальных процессов к режиму термодинамически обратимой49ректификации. В лучших предложенных вариантах энергосбережение достигает50 - 60%.Вместе с тем, при разработке энергосберегающих способов веденияпроцесса ректификации важно также учитывать эффективность использованияпара, поднимающегося по колонне, а именно: его многократную конденсацию (почислу тарелок в колонне) с передачейвыделяющейся при этом теплотывстречному потоку жидкости для ее испарения.На основе результатов литературного обзора по вопросам энергосбереженияпри ректификации были сформулированы следующие задачи:1.

Исследовать влияние различных факторов на затраты теплоты вкипятильнике, в том числе:- способность жидких смесей разделяться методом перегонки;- чистота получаемых продуктов разделения;- энергетический уровень исходной смеси.2. Изучить внутреннее энергосбережение в ректификационной колонне.3. Выявить зависимость затрат теплоты на разделение жидких смесейметодом ректификации от внутреннего энергосбережения в колонне.50ГЛАВА 2ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЗАТРАТ ТЕПЛОТЫ ПРИ РЕКТИФИКАЦИИБИНАРНЫХ СМЕСЕЙСовременные нефтеперерабатывающие, нефтехимические и химическиепредприятия являются крупными потребителями энергоресурсов всех видов.Значительная доля энергозатрат приходится на разделение жидких смесей как приполучении чистых готовых продуктов, так и на стадиях подготовки сырья. Средисуществующих методов разделения жидких бинарных смесей (кристаллизация,перегонка, мембранное разделение и др.) процессы перегонки являются однимииз самых энергоёмких.

На этот метод разделения идут в тех случаях, когда другиеметоды оказываются неприемлемыми. Энергоёмкость процессов перегонкисвязана, прежде всего, с большой теплотой парообразования (по сравнению,например, с теплотой плавления) компонентов разделяемой смеси. Среди методовперегонкинаиболееэнергосберегающимявляетсяметодректификации,применяемый, как правило, при получении достаточно чистых продуктов.

Приэтом энергозатраты на разделение смеси зависят от качества получаемыхпродуктов [34] и от их способности разделяться методами перегонки.Одним из важных направлений снижения энергетических затрат являетсяоптимизация процесса ректификации, приняв в качестве критерияминимумэнергетических затрат.Нормальная работа ректификационной колонны с получением дистиллята икубового остатка заданных составов может быть организована при различныхсостояниях сырья, подаваемого в колонну.

Смесь может подаваться в колоннунедогретой до температуры кипения, в виде кипящей жидкости, в видепарожидкостной смеси, в виде насыщенного пара и, наконец, в виде перегретогопара. Тепловое состояние сырья существенно влияет на потоки пара и жидкости всекции питания колонны (в секции питания встречаются потоки сырья, флегмы изукрепляющей части колонны и пара из отгонной части колонны – все эти потокии их составы взаимосвязаны) и на работу колонны в целом, обусловливая отвод51определенного количества теплоты в конденсаторе и подвод теплотывкипятильнике.При изменении состояния вводимого сырья будут изменяться тепловыепотоки в кипятильнике и конденсаторе.

Так при подаче более холодного сырьяколичество теплоты, отбираемой в конденсаторе должно уменьшиться. Этоприведет к уменьшению потока флегмы в укрепляющей части колонны, аколичество теплоты, подводимого в кипятильнике должно увеличиться [35].2.1. Количественная оценка качества разделения бинарных смесейОценить качество разделения смеси на индивидуальные компоненты можноразличными способами [1, с.884]: по выходам каждого компонента и чистотекаждого продукта разделения, на базе энтропийного критерия разделения [1,с.887] и т.

п. Для бинарных смесей достаточно удобен технологический критерийразделенияЕp,характеризующийодновременночистотуивыход.Онпредставляет собой разность выходов в данный продукт целевого компонента ипримеси. Формула для его расчёта применительно к ректификации бинарнойсмеси найдена в [36].Рис.2.1. Схема разделения смеси на два продукта52При разделении L1 бинарной смеси низкокипящего компонента (НКК) ивысококипящего (ВКК) с мольной концентрацией НКК в ней х1 на верхнийпродукт в количестве П с преимущественным содержанием в нём НКК - х2, инижний продукт в количестве Loс незначительным содержанием НКК - х0(рис.2.1) технологический критерий разделения Еp по верхнему продукту можетбыть найден следующим образом.Из материальных балансовL1  П  L 0  0(2.1)L1 x1  Пx2  L0 x0  0(2.2)и по НККнаходим:П  L1x1  x 0x2  x0(2.3)Количество НКК в верхнем продукте равно Пх2, а его выход (по отношениюк исходному содержанию L1х1) составляет:П x 2 x 2 x1  x 0L1 x1x1 x 2  x 0(2.4)Выход примеси (ВКК) в верхнем продукте соответственно:П 1  x 2 1  x 2 x1  x 0L1 1  x11  x1 x 2  x 0(2.5)Согласно определению критерия разделения Ер после вычитания (2.5) из(2.4) и преобразований получаемЕр ( x 1  x 0 )(x 2  x 1 )x 1 (1  x 1 )(x 2  x 0 )(2.6)Видно, что критерий разделения в соответствии с полученным выражениемзависит лишь от концентрации НКК в исходной смеси и в получаемых продуктах(поскольку их количества также определяются концентрациями).Вчастномх2  х1  х1  х0 случаех2  х0 имеем2симметричногоразделения,когдах1 x2  x0,2а53EP =( x 2  x 0 )( x 2  x 0 )4x 1 (1  x 1 )( x 2  x 0 )=x2  x04x 1 (1  x 1 )(2.7)Рис.

2.2. Зависимость критерия разделения Еp от степени симметричности η при различныхзначениях: а) х2-х0 = 0,9; б) х2-х0 = 0,8; в) х2-х0 = 0,4; г) х2-х0 = 0,2.и при х1 =0,5 величина Еp = х2 – х0, то есть в этом случае критерий разделениячисленно совпадает с разностью конечных концентраций.54Заметим, что при симметричном разделении и начальной концентрацииНКК, отличной от 0,5, величина критерия разделения превышает разностьконцентрацийвеличина E p =вполучаемыхпродуктах.Так,прих1=0,3x 2  x0= 1,19( x2  x0 ) , а при х1=0,2 будет E P = 1,56( x2  x0 ) .