Энергосбережение в процессах ректификации бинарных и многокомпонентных смесей (1091408), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Последнее означает, что граничные концентрации уГ1 и хГ1 равнысоответственно концентрациям в ядрах потока у1 и х1, а сам процессмассопереноса идет обратимо.12На рис. 1.3 приведены профили концентраций для рассматриваемогопроцесса в окрестности границы раздела фаз. Учитывая, что в общем случае длянеравновесного массопереноса справедливы уравнения:dq1 1 ( y Г y)dFdq1 1 (x x Г )dFгде dq1 - число молей первого компонента, переданных из фазы в фазу, a dF- элемент поверхности межфазного контакта, очевидно, что в условиях, принятыхвыше, уГ = у и х = хГ, dq1 = 0. Последнее означает, что при принятых условиях вреальном процессе количество переданной из фазы в фазу массы компонентовдолжно равняться нулю, что в свою очередь говорит о практическойнеосуществимости процесса обратимого массопереноса, так же как и настоящегопроцесса обратимой ректификации.
Однако изучение такого процесса, с однойстороны, позволяет глубже познать особенности любого реального процессаректификации, а с другой, указывает направление, в котором как будет показанониже, желательно, изменять процесс обычной ректификации для улучшения еетермодинамического коэффициента полезного действия. Следует отметить, что,если в процессе ректификации осуществлять промежуточный подвод тепла ихолода по высоте колонны, то реальный процесс ректификации можноприблизить к идеальному обратимому процессу с любой степенью точности.1.1.2. Практическая реализация принципов термодинамически обратимойректификацииОсновные идеи обратимой ректификации были положены в основу созданияректификационных схем разделения со связанными тепловыми потоками,которые отличаются от ранее известных.
Представленный в данной главе анализпроцесса обратимой ректификации неидеальных и в том числе азеотропныхсмесей позволяет более глубоко осмыслить механизм действия ограничений13физико-химического характера, влияющих на процесс ректификации в целом и, вчастности, позволяющих правильно понимать ряд промежуточных режимовректификации, к которым, например, относится режим минимальной флегмы.К сожалению, на практике могут быть реализованы только некоторыеособенности гипотетического процесса обратимой ректификации.
К такимособенностям, в частности, относится распределенный подвод тепла к отгонной иотвод тепла от укрепляющей частей колонны. В настоящее время этот подходразрабатывается,восновном,теоретическиврамкахисследованийпоповышению термодинамической эффективности разделения, главным образом,бинарных смесей с малой относительной летучестью компонентов. Колонны свнутренним теплоинтегрированием (по-английски сокращенно HIDiC) былипредложены еще в середине 70-х годов прошлого века и с тех пор постояннопривлекают внимание исследователей [23, 27].
Эти системы, комбинируя в себепринцип теплового насоса и неадиабатической ректификации, позволяютмаксимально снизить затраты энергии на разделение. По оценкам, проведенным втехническом университете Дельфта (Нидерланды), снижение энергопотребленияпри использовании классического теплового насоса может достигать 50%, а прииспользовании HIDiC от 60 до 90%. Тем не менее, до настоящего временисистемы HIDIC, в отличие от более традиционных методов теплоинтеграции, ненаходят широкого применения в промышленной практике из-за сложностиконструированияиуправления,атакжеиз-заотсутствиячеткихэкспериментальных данных по энергоэффективности, полученных на опытныхили полупромышленных установках.Для реализации другой особенности обратимой ректификации, а именно,разделения по первому классу фракционирования с полностью распределеннымимежду кубом и дистиллятом компонентами с промежуточной относительнойлетучестью, были предложены [28] комплексы с полностью связаннымитепловыми и материальными потоками (FTCDS), однако только в последнеедесятилетиепоявилисьсообщенияореализациитакихтехнологийвпромышленном масштабе.
Предлагается использовать комплексы со связанными14тепловыми и материальными потоками в технологиях, связанных с переработкойнефти, в частности, в процессе выделения ароматических соединений (бензол,толуол, ксилолы) из продуктов риформинга. Расчеты авторов [28] показали, чтоэнергозатраты при этом могут снизиться на 8–24% .К сожалению, FTCDS обладают рядом недостатков, которые осложняют ихприменение в технологиях разделения углеводородных газов, в частности, этотребование одинакового давления во всех элементах комплекса.Другой проблемой, которая возникает при практической реализациикомплексов с полностью связанными тепловыми и материальными потоками,является стабильность их работы и управляемость.
Анализ литературы показал,что эти показатели являются функцией структуры FTCDS, т.е. функциейраспределения отдельных секций комплекса между реальными колоннами. Однимиз направлений повышения устойчивости и управляемости FTCDS являетсяуменьшение числа связывающих аппараты паровых потоков.Как следует из литературных данных [27], системы с полностьюсвязанными тепловыми и материальными потоками реализуются на практике, восновном, как одна сложная колонна с перегородкой (Dividing-Wall column,DWC), причем, значительный толчок развитию этого направления даларазработка конструкции аппарата с «нефиксированной» перегородкой.DWC по структуре потоков близки к схемам с полностью связаннымитепловыми и материальными потоками. Впервые колонны с перегородкой былипредложены для снижения энергопотребления при ректификации еще в середине20 века.
При этом теоретическое обоснование снижения энергозатрат наразделение отсутствовало. Только с разработкой теории обратимой ректификациии выявлением структуры комплексов FTCDS стало ясно [27], что эти два вариантаорганизацииразделениямногокомпонентныхсмесейпредставляютсобойпрактически идентичные с точки зрения термодинамики (но конструктивноразличающиеся) технические решения.В настоящее время DWC являются уже достаточно распространеннымитехническими решениями, и все больше и больше привлекают внимание15промышленных корпораций.
Самые крупные колонны имеют диаметр до 6 м ивысоту до 100 м. Наиболее успешным опытом реализации таких техническихрешений обладает фирма BASF. К 2004 году только этой компаниейиспользовалось 30 установок, имеющих в своем составе DWC. К 2009 году толькофирмой BASF эксплуатировалось 70 установок DWC, а общее число их в мирепревысило 100. Значительных успехов также добилась компания Linde AG,разработавшая к настоящему времени колонну DWC с высотой до 107 м идиаметром 5 м для фирмы Sasol [12].Промежуточное положение, как по термодинамической, так и поэнергетической эффективности, между технологиями классической ректификациии комплексами с полностью связанными тепловыми и материальными потокамизанимают комплексы с частично связанными тепловыми и материальнымипотоками (PTCDS) [27].
По схеме разделения – это колонны с выноснымиотпарными или укрепляющими секциями. В первом случае эти схемы имеют одинобщий дефлегматор и несколько кипятильников, а во втором – один общийкипятильник и несколько дефлегматоров. Традиционной областью примененияколонн с отпарными секциями является нефтепереработка (установки первичнойперегонкинефти,углеводородов,каталитическогопервичнойперегонкикрекинга,бензинов).разделенияКолонныароматическихсвыноснымиукрепляющими секциями используются для разделения воздуха с получениемазота, кислорода и аргона. В последнее время появились примеры использованиясложных колонн с боковыми секциями и отборами в технологиях экстрактивнойректификации бинарных и многокомпонентных смесей[12].
Применение PTCDSкак элементов технологической схемы ректификации обеспечивает снижениеэнергозатрат на разделение до 30% [27].Комплексы PTCDS могут быть также реализованы в виде колонн сперегородками. Следует отметить, что при фиксированном числе ступенейразделения FTCDS могут проигрывать PTCDS по суммарным экономическимзатратам. К настоящему времени предложены [27] методы синтеза и алгоритмывыбора типа комплекса с частично связанными тепловыми и материальными16потоками, обеспечивающего наибольшую энергетическую эффективность.
Такимобразом, существует множество подходов к повышению термодинамической иэнергетической эффективности процесса ректификации. К настоящему временинаиболее отработаны подходы по применению колонн с перегородками в видекомплексов с частично или полностью связанными тепловыми и материальнымипотоками, и именно такие технологии целесообразно рекомендовать дляреализации в промышленном масштабе.1.2.Рекуперация теплоты уходящих потоков и применение тепловыхнасосов в процессах ректификацииКсистемамсрекуперациейтеплаусловноможноотнестивсеректификационные системы, в которых снижение затрат на разделениедостигается в результате теплообмена между потоками и подвода тепла и холодана промежуточных температурных уровнях (между температурами верха и низаколонны). Такие системы могут включать одну или несколько ректификационныхколонн.
К ним относятся системы с тепловым насосом, с промежуточнымподводом холода и тепла, с несколькими вводами сырья при различныхтемпературах и составах равновесных фаз и систем с теплообменом междуконденсирующимися и испаряющимися потоками различных ректификационныхколонн [4, 27]. Возможны и некоторые другие ректификационные системы,относящиеся к этому же типу, например, конденсационно-испарительная система,разрезная колонна, колонны двукратной и ступенчатой ректификации с двумя иболее уровнями давления и с теплообменом между конденсирующимися ииспаряющимися потоками, используемые, например, при разделении воздуха.Основная цель использования этих систем – снижение энергетических затрат наразделение.17Вместе с тем, для азеотропных смесей комплексы с промежуточнымподводом холода и тепла могут в некоторых случаях быть использованы дляпреодоления термодинамических ограничений процесса.Одним из методов повышения энергопотенциала теплоносителя (пара) сцелью рекуперации тепла в процессе ректификации является использованиеректификационных установок с термокомпрессией пара (тепловым насосом).
Вних теплота фазового перехода пара, отбираемого из ректификационной колонны,идет на создание парового потока в колонне. Температура циркулирующего всистеме теплоносителя, с помощью которого передается тепло с низкого уровня вконденсаторе на более высокий в кипятильнике, повышается в компрессоре.Теплоноситель испаряется в конденсаторе, его пары сжимаются в компрессоре додавления, при котором температура конденсации теплоносителя будет вышетемпературы кипения кубового продукта.
Затем теплоноситель направляется вкипятильник, где конденсируется, испаряя часть кубовой жидкости [4].Реализация теплового насоса в ректификационной колонне возможна как наконцевых, так и на промежуточных потоках с использованием одного изконцевых потоков в качестве теплоносителя или с использованием внешнеготеплоносителя (рис. 1.4).Выбор той или иной схемы реализации теплового насоса зависит от рядафакторов: теплофизических и технологических, конструкционных и техникоэкономических.Использование схем с тепловым насосом (рис. 1.4) и с теплообменом междуконденсирующимися и испаряющимися потоками различных ректификационныхколонн (рис.
1.5) не влияет на процесс ректификации, но снижает внешниетермодинамические потери, связанные с подводом тепла и холода.Системы с тепловым насосом целесообразно использовать при малойразности температур между верхом и низом колонны (близкокипящая смесь), при18Рис.1.4.Схемыректификационныхустановок с термокомпрессией пара наконцевых (схемы а, б, в) и промежуточных(г) потоках с использованием верхнего (б),нижнего (в) и внешнего (а, г) потоков вкачестве теплоносителябольших флегмовых числах и низких температурах верха колонны (дорогойхладоноситель), то есть при больших энергозатратах на разделение. Эти признакиможно использовать как эвристические при синтезе оптимальных схемразделения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
