Энергосбережение в процессах ректификации бинарных и многокомпонентных смесей (1091408), страница 5
Текст из файла (страница 5)
1.8. В ректификационной колонне, перерабатывающейисходную смесь, над тарелкой питания установлен карман; стекающую в негоизвлеченную жидкость частично или полностью направляют в испаритель. Далее25поток вводится в среднюю часть исчерпывающей секции колонны. Содержаниетруднолетучих компонентов в извлеченной жидкости невелико, поэтомутемпература ее испарения будет ниже, чем температура в кубе колонны.В качестве теплоносителей в испарителе могут применяться кубовыйпродукт стабилизации, горячий конденсат и другие источники дешевогонизкопотенциального тепла, что приводит к уменьшению расхода теплоносителяв кубе колонны.При разделении многокомпонентных смесей в абсорбционно-отпарныхколоннах [22] питание обычно представляет собой парожидкостную смесь.
Если вректификационной колонне жидкость питания богаче тяжелыми компонентами,чем извлеченная жидкость, то в абсорбционно-отпарной колонне, наоборот, врезультате подачи абсорбента жидкость, стекающая из абсорбционной секции,будет состоять из более труднолетучих компонентов по сравнению с жидкостьюпитания.Рис.
1.9. Схема разрезной абсорбционноотпарной колонны с испарением жидкой частипитания.Длясмешениетогочтобыисключитьжидкостныхпотоковнатарелке питания абсорбционно-отпарнойколонны, следует работать по схеме,изображенной на рис. 1.9. Исходнаяпарожидкостнаясмесьпоступаетвсепаратор. Пар из сепаратора подаетсянепосредственноотпарнуювколонну,абсорбционноажидкостьиспаряется в теплообменнике;полученный пар образует нижний поток питания колонны. Энтальпия этогопарового потока питания больше энтальпии жидкостной части исходной смеси.26Поэтому тепловая нагрузка на кипятильник разрезной колонны будет меньше,чем в обычной абсорбционно-отпарной колонне.В качестве теплоносителей в испарителе могут применяться источникидешевогонизкопотенциальноготепла,чтоприводиткуменьшению1.3.3.
Схемы с обратимым смешением потоковспособ термодинамического усовершенствованияпроцессовэксплуатационных затрат в рассматриваемой схеме.Этотразделения состоит в применении обычной адиабатической ректификации длясхемы с обратимым смешением потоков.Вопросувыборатермодинамически оптимальнойсхемыразделениямногокомпонентных смесей былпосвящен ряд работ [22, 23, 27].Единственнымнадежнымметодом выбора оптимальногоизвозможныхявляетсявариантовсравнительныйтехнико-экономическийвсехрасчетвариантов.Естественно предположить, чтотермодинамически оптимальнойокажетсясхема,используютсяобратимоговкоторойпреимуществапроцесса.предположитьМожнонесколькоРис.
1.10. Варианты схем разделения собратимым смешением потоков27вариантов схем, более или менееполно использующихособенности обратимой ректификации.На рис. 1.10 эти варианты показаны на примере разделения тройной смесиABC. Для всех вариантов характерно одно из основных свойств обратимойректификации: в каждой секции исчерпывается не более одного компонента (всеколонны первого класса фракционирования). Тем самым обеспечиваетсяобратимость при смешении потоков в районе ввода питания.В вариантах II, IIIб и IV непродуктовые колонны не имеют собственныхдефлегматоров и кипятильников, а флегмовые потоки образуются за счет отбораиз смежных колонн.
При этом исключается необратимостьпри смешениипотоков на концах колонн.В вариантах IIIа, IIIб и IV отдельные двухсекционные колонныобъединяются таким образом, что каждый продукт получается в одной точке. Этопозволяет свести к минимуму количество подводимой энергии. Вариант IVиллюстрируетпринципиальнуювозможностьполногоразделениямногокомпонентной смеси на чистые компоненты в одной сложной колонне. Вэтом варианте наилучшим образом используется объем ректификационныхколонн.Предложенный способ разделения можно назвать способом разделения собратимым смешением потоков [22].
В термодинамическом отношении онхарактеризуется наличием только полезных термодинамических потерь примассопередаче на каждой тарелке. Бесполезные термодинамические потери присмешении потоков в районе питания и на концах колонн отсутствуют.Впредложеннойпромежуточныхмногокомпонентнойсхемекомпонентов(рис.вректификации.1.10)можнопродуктахКрайниеменятьраспределениеразделенияслучаиколоннраспределениясоответствуют условиям, когда верхний или нижний продукты содержат толькоодин компонент. При этом предлагаемая схема переходит в обычную. Возможнотакже промежуточное распределение компонентов.28Таким образом, схемы с обратимым смешением потоков являютсятермодинамически оптимальными схемами ректификации многокомпонентныхсмесей.
Применение их не требует разработки какой-либо новой специальнойаппаратуры.Несколько более сложно автоматическое регулирование процесса длявторого и третьего вариантов, поскольку в этом случае все колонны представляютсобой одну взаимосвязанную систему. Если разделение проводится приатмосферном давлении, то термодинамическая эффективность вариантов II и III внекоторых случаях может снижаться вследствие гидравлического сопротивлениясистемы. Например, в варианте IIIб колонна BC работает при повышенномдавлении, что приводит к уменьшению относительных летучестей компонентов иувеличению температуры в кубе (это имеет значение при большом числетарелок).
Для того, чтобы и в этом случаеполностью использоватьтермодинамические преимущества схемы с обратимым смешением потоков,необходимоприменятьновыетипытарелок,отличающиесянизкимгидравлическим сопротивлением.Однако указанный недостаток проявляется только в том случае, когда смесьBCболееблизкокипящая(имеетменьшуюотносительнуюлетучестькомпонентов), чем смесь AB. В других случаях определяющей затраты теплаявляется верхняя колонна AB, работающая в тех же условиях, что и при обычнойсхеме разделения. Повышение давления в нижней колонне не приводит при этомк увеличению необходимых затрат тепла, а термодинамически проявляетсятолько в возрастании температуры куба.Наибольший термодинамический эффект можно получить, сочетая способразделения при обратимом смешении потоков с неадиабатическим ведениемпроцесса ректификации.
Именно при таком предполагаемом методе разделениявозможнонаиболееэффективноеиспользованиеразличныхвариантовнеадиабатической ректификации.Простейшим способом уменьшения работы разделения является введениепромежуточных дефлегматоров и кипятильников. Если взять за основу вариант29IIIб схемы (рис. 1.10) и установить только по одному промежуточномудефлегматору и кипятильнику, то работа разделения трехкомпонентной смеси внекоторых случаях уменьшается в два-три раза [22].
При этом число уровнейподводаэнергиитакоеже,какприобычнойсхемеразделения(безпромежуточных теплообменников).Большое значение в этом случае имеет определение оптимальнойпромежуточнойточкиподводаэнергии.Если,например,поместитьдополнительный дефлегматор и кипятильник на концах колонны разделениятройной смеси, то мы получим вариант III а (рис.
1.10).Специфические особенности разделения с обратимым смешением потоковдают возможность получать большой эффект при различных вариантахнеадиабатической ректификации [22].Этавозможностьобусловливаетсятем,что,например, при разделении тройнойсмеси ABC укрепляющая секцияколонны ABC и исчерпывающаяколонныAB,исчерпывающаяатакжесекция колонныABC и укрепляющая колонны BCработают приблизительно в одноминтервалетемператур.Этопозволяет осуществить теплообменмежду потоками в промежуточныхточкахуказанныхсекцийкакнепосредственно, так и при помощитепловыхперепадами1.11а,б,в,г).Рис. 1.11.
Варианты схем смалыми обратимым смешением потоков идавлений(рис. промежуточным подводом энергиинасосовс30Еще больший эффект дало бы попарное объединение укрепляющих иисчерпывающих секций так, чтобы по всей их высоте между ними осуществлялсятеплообмен и чтобы они работали как противоточные конденсаторы-испарители(рис. 1.11д). Перепады давлений и, следовательно, затраты энергии на сжатие приэтом могут быть минимальными. При идеальном теплообмене процесс вуказанных выше секциях мог бы в некоторых случаях происходить совсем безперепадов давления, т.е.
без внешних затрат энергии.В случае разделения тройной смеси ABC можно также объединить в одинконденсатор-испаритель укрепляющую секцию колонны AB и исчерпывающуюсекцию колонны BC (рис. 1.11е). При этом в системе будут три различныхдавления, так что каждый продукт получают при своем давлении: продукт A –при наибольшем, а продукт C – при наименьшем. Основываясь на этом принципеможно уменьшать работу разделения до значений, близких к термодинамическиминимальной работе.1.3.4. Схемы неадиабатической ректификацииЗамена адиабатической ректификации на противоточную конденсацию ипротивоточное испарение в той или иной схеме еще не означает снижениярасхода энергии. Это уменьшение можетбыть достигнуто при условии, чтотеплообмен с внешней средой в процессе неадиабатической ректификациипротекаетприпеременныхтемператураххладоагентаитеплоносителя,соответствующих температуре в данном сечении колонны. Если же температурыхладоагента и теплоносителя будут постоянны по всей высоте секции, то,очевидно, выигрыша в расходе энергии получить нельзя, поскольку, наряду суменьшением потерь от необратимости процесса массообмена, в таких условияхбудут увеличиваться термодинамические потери в процессе теплопередачи [22].Рассмотрим, например, так называемую трубчатку Клода, представляющуюсобой вертикальный кожухотрубный аппарат.
Исходная смесь (например, воздух)31поступает в трубное пространство аппарата и подвергается противоточнойконденсациипутемиспаренияполученногопространстве. Несконденсировавшийся газконденсатавмежтрубном(азот) отбирают из верхней частитрубчатки. Из межтрубного пространства отбирается газообразная фракция,обогащенная труднолетучим компонентом (обогащенный кислородом воздух).Сравним эту схему со схемой, состоящей из отдельной укрепляющейколонны и дефлегматора, в котором испаряется извлеченная жидкость. Приодинаковых разделительных действиях трубчатки и укрепляющей колонны иравных температурных напорах в верхних частях аппаратов перепады давлений всхемах будут одинаковыми (при заданном высоком или низком давлении всхеме). Таким образом, схема с трубчаткой Клода по расходу энергии не имеетникаких преимуществ перед схемой ректификации в укрепляющей колонне.Посвоимиспарениевособенностяммежтрубномпространствеявляетсяпромежуточным между прямоточными фракционным испарением.
В связис этим название аппарата следуетсчитать несколько неудачным, таккак под противоточным испарениемобычнопонимаютмассообмена,процесспротекающийпротивоточномпридвижении фаз. Врассматриваемомаппаратеизвлеченная жидкость, переливаясьпополкам,переменнойиспаряетсяРис. 1.12. Принципиальная схемапри разделения методомтемпературе, ректификации:1минимальной на верхней полке и конденсатор;максимальной на нижней.испаритель.2-неадиабатической–противоточныйпротивоточный32При разделении смесей ширококипящих компонентов разность температурначала и конца кипения извлеченной жидкости может быть значительной.В случае схемы с трубчаткой Клода термодинамические потери в процессетеплопередачи могут быть уменьшены при использовании так называемогопротивоточного испарителя-дефлегматора.
Данный аппарат также представляетсобой трубчатку; в ее межтрубном пространстве размещены полки, по которымстекает кипящая жидкость. Пар, образовавшийся при испарении извлеченнойжидкости, движется сверху вниз и выводится из нижней части межтрубногопространства.Таким образом, в схеме с противоточным испарителем-дефлегматоромтеплопередача происходит при переменной температуре как в процессеконденсации,тактермодинамическихивпроцессеиспарения.Вследствиеуменьшенияпотерь при теплообмене перепад давлений в схеме спротивоточным испарителем-дефлегматором в аналогичных условиях будетменьше, чем в схеме ректификации с укрепляющей колонной. Основнойнедостатоксхемыспротивоточнымиспарителем-дефлегматором–невозможность ее применения для получения обеих концентрированных фракций.Принципиальная схема разделения данной смеси на две концентрированныефракции методом неадиабатической ректификации изображена на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
