Энергосбережение в процессах ректификации бинарных и многокомпонентных смесей (1091408), страница 8

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (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 ) .

Характеристики

Список файлов диссертации