Энергосбережение в процессах ректификации бинарных и многокомпонентных смесей (1091408), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Энергопотребление при производстве аммиака в Россиисоставляет 9,6–10,3 Гкал/т против 6,7–7,0 Гкал/т в зарубежье, а метанола – 11,2–12,6 Гкал/т против 7,0-7,5 Гкал/т, соответственно [2].Поэтому одной из важнейших задач является снижение энергоемкости всехтехнологических процессов и, прежде всего, наиболее энергоемких. Процессректификации наряду с выпариванием и сушкой относится к числу наиболееэнергоемких.
Энергоемкость всех этих процессов связана с необходимостьюиспарять один или несколько компонентов смеси, затрачивая при этом, какминимум, теплоту парообразования.Ректификация – это процесс разделения бинарных или многокомпонентныхсмесей в результате многократного испарения жидкости и конденсации пара повысоте ректификационной колонны при движении жидкости сверху вниз – отдефлегматора к кубу. При этом жидкость обогащается высококипящими(труднолетучими) компонентами, а пар, поднимающийся вверх, - низкокипящими(легколетучими) компонентами.В научной литературе имеется значительное число работ [3-8, 12-28,31-33],связанных с изучением затрат энергии (чаще всего – тепловой) на процессыразделения методом ректификации и поиском путей их уменьшения.Наиболееочевиднымспособомснижениязатраттеплотынаректификационных установках является использование теплоты уходящих(горячих)потоковдлянагреваниявходящих[1,3-5].Ограничениемв7использовании рекуперативного теплообмена является минимальная движущаясила процесса теплопередачи на уровне 3-5 ͦС – в противном случае размерытеплообменника становятся неоправданно большими, а их работа – неустойчивой.Приналичиинесколькихректификационныхколоннприменяюткаскадирование тепла, т.е.
большая часть пара из верха высокотемпературнойколонныконденсируетсявкипятильникенизкотемпературнойколонны,полностью заменяя греющий водяной пар. Экономический эффект зависит отразности температур в кипятильнике и флегмового числа. Наиболее полныйанализ этого способа энергосбережения приведен в [6, 7].В отсутствие возможности использования пара из верха колонны дляобогрева других аппаратов его часто сжимают в компрессоре с получением параболее высокого потенциала, достаточного для того, чтобы применять сжатый парв кипятильнике той же колонны.
Этот принцип теплового насоса даетсущественную экономию в суммарных энергозатратах [4, 8-10].При разделении трудноразделяемых смесей (с малой относительнойлетучестьюкомпонентовилиимеющихазеотропныйсостав)методомэкстрактивной ректификации [11,12] с целью снижения затрат тепловой энергииприменяют комплексы с частично связанными тепловыми и материальнымипотоками (ЧСТМП), которые в случае разделения бинарной смеси представляютсобой одну сложную колонну с боковой укрепляющей секцией [13-15]. При этомэкономия энергии составляет от 4 до 32% [16].Среди способов экономии затрат в процессе ректификации, не требующихреконструкцииаппаратов,можновыделитьследующие[4]:оптимизацияорошения и давления; уменьшение разности температур при испарении сырья иконденсации продуктов; повышение эффективности массообмена и снижениегидравлических сопротивлений; углубление отбора тепла отходящих потоков,улучшение теплоизоляции и другие способы.Оптимизация орошения состоит в поддержании расходов флегмы,необходимых для получения требуемой чистоты целевых продуктов.
Снижение8энергозатратпри оптимизацииорошения(толькоза счетподдержанияоптимального флегмового числа) составляет тот же порядок, что и при заменеконтактных устройств - до 13% [4].Подача флегмы и питания в колонну с определенной циклическойзакономерностью позволяет снизить энергозатраты более чем на 20% [4].Одним из главных направлений в разработке энергосберегающих схемпроцессаректификациитермодинамическиявляетсяобратимойприближениеректификацииреального[4,17-22].процессаСогласнокрасчету,приведенному в [20], термодинамический к.п.д. процесса ректификации дляразделения эквимолярной смеси бензола и толуола составляет всего 14,7% приработе с минимальным флегмовым числом.
При рабочих флегмовых числахтермодинамическая эффективность процесса ректификации существенно ниже[20]. По приведенным в [21] данным термодинамическая эффективность процессаректификации составляет от 4 до 20% (в усовершенствованных схемахректификации – с использованием внешнего энергосбережения). Подробныйанализ низкой термодинамической эффективности ректификационных колоннприведен в [22], где дана оценка величин различных источников необратимости.Следует отметить, что наибольшая потеря термодинамической эффективностиобусловлена необратимостью процессов при адиабатической ректификации всравнении с обратимой [22].Различные способы приближения к обратимой ректификации и ихпрактическая реализация рассмотрена в ряде работ [23-25].
Так, по приведеннымв[23]даннымреализованноеусовершенствованиеобычнойколонны,обеспечившее передачу теплоты от всей (по высоте) укрепляющей части колоннык отгонной за счет разных давлений, позволило уменьшить затраты теплоты на62%.Далее более детально рассмотрим отдельные способы энергосбережения иначнем с термодинамически обратимой ректификации.91.1.Термодинамически обратимая ректификация1.1.1. Основные положения термодинамически обратимой ректификацииПри обычной адиабатической ректификации в колоннах конечнойпротяженности в каждом сечении имеет место неравновесность между паром,поднимающимся с нижележащей ступени контакта, и жидкостью, стекающей свышележащей ступени.
В любом сечении колонн с дифференциальнымизменением состава фаз по высоте (пленочные, насадочные) в принятых условияхтакже наблюдается неравновесность.Вадиабатическихректификационныхколоннахбесконечнойэффективности как дискретного типа изменения состава фаз, так и непрерывного,термодинамическоеравновесиедостигаетсятольковзонахпостоянныхконцентраций, где процесс ректификации становится обратимым.Если равновесие фаз имеет место в каждом сечении колонны любого типа,то осуществляется термодинамически обратимый процесс ректификации [22].Такой процесс характеризуется бесконечным числом ступеней разделения(бесконечной протяженностью колонны), бесконечно малой скоростью изменениясостава контактирующих фаз и их количеств, дифференциальным подводом теплаили холода по высоте аппарата. Подробный термодинамический анализ затратэнергии на разделение выполнил Бенедикт [26].Допустим, подвергается ректификации бинарная зеотропная смесь составах1, при этом получают П молей дистиллата, L0 молей кубового остатка, состава х2и х0 соответственно.
Очевидно, общий материальный баланс можно записать ввиде:П L 0 L1Обозначив через D - количество паров и через L - количество флегмы,уравнение рабочих линий для укрепляющей и отгонной частей колонны можнозаписать в форме:y mx 1 m x2y m ' x 1 m ' x010где m = L/D, m' = (L+L1)/D (при питании кипящей жидкостью).Если теперь осуществлять процесс ректификации так, чтобы в любой точкеколонны составы паров и жидкости были равновесны, т.е. связаны соотношениемy = kx, то, очевидно, величина т будет переменной, изменяющейся вдоль высотыаппарата по определенному закону. Положение множества рабочих линий, каждаяиз которых соответствует своей величине т, показано на рис.
1.1.Рис. 1.1. Зависимость соотношения потоков пара и жидкости от состава прибинарной обратимой ректификации:- рабочие линии при различных составах;- равновесная кривая.Рис. 1.2. Зависимость числа молей потока жидкости по высоте аппарата приобратимой ректификации.На рис. 1.2 изображена зависимость числа молей потока жидкости повысоте аппарата. Из рисунков видно, что y = x2 при m = 0, что соответствует L =0 на уровне y=x2. Что касается отпарной части колонны, то на уровне x = x0 равнанулю величина 1/m',11Рис. 1.3. Профили концентраций пара и жидкостивблизиграницыразделафазприобратимойректификации:П – пар; Ж – жидкость;уГ и хГ – составы пара и жидкости на границераздела фаз;у и х – составы пара и жидкости в ядре потока.что соответствует условию D = 0. Отметим, что, если верхним (нижним)продуктом является чистый компонент, поток жидкости (пара) на уровне отборапродукта не равен нулю.
Из рис. 1.1 видно, что при y2 = l величина т равнаугловому коэффициенту касательной к линии равновесия в точке y2 = l.Аналогичным образом при x0 = 0 величина т' равна угловому коэффициентукасательной к линии равновесия в точке x0 = 0.В результате на уровне дистиллята поток флегмы в рассматриваемом случаеравен нулю, так же как на уровне кубового продукта равен нулю поток пара.Изменяющиеся по высоте потоки жидкости и пара получаются за счетраспределенного по высоте отгонной (отпарной) части дифференциальногоподводатеплаираспределенногоповысотеукрепляющейчастидифференциального подвода холода. Таким образом, в укрепляющей части идетпреимущественно парциальная равновесная конденсация компонентов из пара вжидкость, а в отпарной части - преимущественно парциальное равновесноеиспарение компонентов из жидкости в паровую фазу.Следовательно,рассматриваемыйпроцессможнопредставитькакравновесный неэквимолярный массообмен между фазами в условиях, когдасопротивление как со стороны жидкой фазы, так и со стороны паровой равнонулю.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
